应用多芳基取代咪唑类荧光探针研究癌基因启动子G-四链体作为转录调控元件的分子机制

G-quadruplex is a type of special nucleic acid secondary structure formed by the guanine-rich sequence. G-quadruplexes are overrepresented in oncogene promoter regions and viewed as critical regulatory elements for gene transcription. Real-time detection and tracking of the dynamic G-quadruplex folding/unfolding processes are keys for the molecular mechanisms elucidation of oncogene transcriptional regulation. We recently designed and synthesized a series of novel multiaryl-substituted imidazole fluorescent probes based on the G-quadruplex ligand-fluorophore conjugation strategy. Among them, compound SYUTI-WB001 was found to specifically bind to oncogene promoter G-quadruplexes rather than the others, and the fluorescent intensity of SYUTI-WB001 was markedly enhanced upon binding. In addition, this fluorescent probe could be used in the real-time detection of oncogene promoter G-quadruplex in cells. Based on the work above, we will further construct a new visualization platform for the real-time detection of dynamic changes of the oncogene promoter G-quadruplexes in cellular conditions. The experimental system construction, technique optimization, information processing and related issues would be included in this platform construction work. With this platform, systematic studies of the existence of the G-quadruplexes in oncogene promoters as well as their biofunctional molecular mechanisms as transcriptional regulatory elements would be conducted. Our work would provide theoretical basis for the anti-cancer drug discovery targeting oncogene promoter G-quadruplexes.

G-四链体是富鸟嘌呤序列所形成的核酸特殊二级结构，广泛存在于许多重要癌基因的启动子区，是基因转录的关键调控元件。在细胞生理条件下实时检测和跟踪癌基因启动子G-四链体形成或解链的动态过程，是阐明癌基因转录调控分子机制的关键。我们应用G-四链体配体―荧光团缀合策略，设计合成了一类新型的多芳基取代咪唑类荧光探针。其中，化合物SYUTI-WB001能特异性与癌基因启动子G-四链体结合，并使相应荧光信号显著增强，而对其他G-四链体的识别作用则较差。细胞模型研究证明该荧光探针能实时检测癌基因启动子G-四链体的存在。我们将在此基础上，建立细胞内可视化检测癌基因启动子G-四链体动态变化过程的技术平台，包括相关实验体系构建、技术方案优化、信息处理和解析等；并以此平台为依托，系统深入研究癌基因启动子G-四链体的存在情况及其作为转录调控元件的分子机制，为以癌基因启动子G-四链体作为抗癌药物靶点研究提供理论依据。

G-四链体是富鸟嘌呤序列形成的核酸特殊二级结构，广泛存在于许多重要癌基因的启动子区及其mRNA的非翻译区，是基因转录翻译的关键调控元件。在细胞生理条件下检测并跟踪癌基因G-四链体形成或解链的过程，是阐明癌基因转录与翻译调控分子机制的关键。在前期研究基础上，本项目系统开展了以下研究内容并取得了重要结果：1）发展了一系列新型多芳基取代咪唑类探针并拓展性设计合成了一系列新型Isaindigotone类探针，构建了超过150个新化合物的探针库。2）对探针库中的分子进行了筛选和构效关系研究，发现了多个具有应用前景的高灵敏度高特异性G-四链体探针。3）基于新合成的探针分子，创新性提出了设计合成G-四链体触发型荧光杂交(G-quadruplex-triggered fluorogenic hybridization, GTFH)探针用于细胞内精准检测并研究G-四链体结构变化规律的新策略。应用新合成特异性靶向癌基因c-MYC启动子区G-四链体以及癌基因NRAS mRNA非编码区G-四链体的GTFH探针，我们成功建立了细胞内可视化监测这两种癌基因G-四链体变化过程的技术平台。4）基于以上建立的可视化研究方法与平台，本项目研究了癌基因c-MYC启动子区G-四链体DNA以及癌基因NRAS RNA G-四链体在不同细胞因素影响下的存在情况与行为，发现其他生物大分子与G-四链体结构的相互对话调控了转录和翻译等众多生物事件，而通过化学干预的手段可以影响他们间的相互作用，从而控制G-四链体这一转录翻译开关。基于以上研究结果，本项目为理清核酸高级结构所参与的调控网络和以癌基因G-四链体作为抗癌药物靶点的研究提供了理论依据。本项目研究内容基本按研究计划执行并基本达到预期目标。目前已发表标注本项目资助包括JASC在内与本项目相关的SCI论文15篇。项目执行期内申请专利4项，其中获授权3项。