端粒和癌基因启动子G-四链体特异性的靶向药物的单分子研究

G-quadruplexes structure formed at telomere and oncogene promoter regions have recently emerged as an important class of molecular targets for anticancer drugs. Due to the high polymorphism of G-quadruplexes, it remains unclear how drugs recognize and regulate the stability of a specific G-quadruplex structure. We recently found that many G4 specific drugs also have high affinity to duplex DNA. Using single-molecule magnetic tweezers, we plan to analyze the stability of different G-quadurplexes and the specificity of several G-quadruplexes binding drugs. We are trying to find factors that determine the stability of different G-quadruplexes and understand how drugs regulate the stability of G-quadurplexes. We also aim to develop a drug analysis method based on single-molecule force spectroscopy.

端粒和癌基因启动子区域的G-四链体核酸结构是癌症和衰老的重要的药物靶点。由于G-四链体本身结构的多态性，药物如何识别特定结构的G-四链体并调控其下游的生物学功能等仍有很多问题不清楚。我们最近的研究结果发现很多过去被认为是G-四链体特异的药物实际上对双链DNA也有很强的结合。这些问题影响了以G-四链体为靶点的药物的开发。本项目基于单分子磁镊操纵技术比较不同G-四链体结构本身的折叠过程和稳定性，研究小分子药物对不同G-四链体结构稳定性的调控, 检测一系列已知的G-四链体药物稳定端粒G-四链体的效果以及药物对双链DNA的结合，最终我们的目标是理解G-四链体的折叠规律，为设计高度选择性结合G-四链体的药物提供信息，同时开发基于单分子力谱的药物分析方法。

G-四链体是具有重要生物学功能的核酸二级结构。由于G-四链体结构的多态性，给研究其折叠/去折叠动力学，以及靶向G-四链体设计小分子药物带来困难。本项目利用单分子磁镊方法系统的分析了Bcl2,VEGF，c-Kit, HIF-1α等癌基因启动子中四链体结构的稳定性，发现平行结构的G-四链体普遍具有更高的去折叠能垒，比非平行结构的G-四链体去折叠速率慢几个数量级。这是首次揭示G-四链体形成序列的去折叠动力学和拓扑结构之间的普遍规律。目前已知人基因组内有超过70万种的G-四链体形成序列，这一普遍规律能帮助系统理解的G-四链体的稳定性，在基础研究邻域具有较强的科学意义。这些结果说明癌基因启动子区域的G-四链体一旦形成，能长时间（数周）存在而抑制相关基因的转录和表达，为针对癌基因启动子设计药物提供了动力学基础。相关结果发表于The Journal of Physical Chemistry Letters和Journal of Biological Chemistry。我们系统地研究了非经典的含有bulge结构的G-四链体折叠的规律，发现鸟嘌呤偶联药物能够特异性的结合并稳定G-四链体折叠的中间态，从而提出了通过稳定G-四链体折叠中间态来设计小分子药物的靶向G-四链体的药物设计新思路。相关结果正在整理发表。最后，我们开发了分析化合物和双链DNA相互作用的单分子磁镊方法，研究了抗肿瘤药物阿霉素和天然产物来源新活性化合物和DNA的相互作用。我们首次阐明了具有菲啶酮母核的天然产物衍生物能通过嵌入DNA造成DNA损伤，相关结果发表于Nucleic acids research。也证明了阿霉素可以在临床相关的低浓度下通过交联双链DNA发挥抗肿瘤作用。相关结果发表于Analytical chemistry。本项目为建立基于单分子技术的药物分析技术平台和在药物开发中的应用打下了基础。