G-四链体稳定与解旋的分子构筑及肌萎缩侧索硬化症(ALS)的基因疗法初探

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a devastating neurodegenerative disease, which is resulted from loss of motor neurons in the motor cortex, brain stem, and spinal cord. The pathogenesis of ALS disease is very complex, and currently there is no cure or effective preventative treatment for ALS. However, with the discovery that a GGGGCC repeat expansion in C9orf72 is structural polymorphism which can form G-quadruplex, a new therapeutic approach for ALS has come to light. Capitalizing on the above findings, we will rationally design small molecules (ligands and complexes) which are able to selectively stabilize or unfold G-quadruplex through structural changes. Furthermore, the effect of RNA transcripts, repeat-associated non-ATG (RAN) translation, RNA foci formation in cultured cells expressing (GGGGCC)n and cell biological behaviors induced by compounds will be studied too. The pathogenesis of ALS and structure—activity relationship will be discussed at the molecular and cellular levels. These studies will gain valuable insight into the pathogenesis of ALS, and provide theoretical and experimental basis for exploring new drugs as well as gene therapy for ALS.

肌萎缩侧索硬化症（ALS，俗称“渐冻人”症）是一种由于大脑皮质、脑干和脊髓前角的上下运动神经元受损而导致的神经致死性疾病。ALS 的病理机制极为复杂，目前尚无药物可治愈ALS。最新Nature报道C9orf72基因非密码区六核苷重复扩增序列(GGGGCC)n可形成G-四链体结构，该结构影响ALS病程，为ALS的致病机制和治疗提供了新的思路。该课题拟设计合成出具有稳定或解旋G-四链体功能的一系列配体及配合物，通过化合物结构设计实现对C9orf72基因六核苷重复扩增序列G-4 DNA和RNA的选择性识别，并研究配体和配合物对RNA转录，无ATG相关翻译，RNA foci和核蛋白的影响，评价化合物对ALS患者细胞的影响作用机制,并在分子及细胞水平上探讨ALS病理机制，并揭示其构效关系。此研究可为明确ALS致病机制，同时为小分子药物对ALS的基因疗法提供理论和实验基础。

肌萎缩侧索硬化症(ALS)是运动神经元损伤所造成的神经退行性疾病，迄今仍无有效的治疗方法。C9orf72基因中(GGGGCC)n重复序列可形成潜在的G-四链体结构，影响ALS病程，从而引起了异常关注。本研究针对这一医学难题，设计合成了30余种结构新颖的化合物，利用紫外吸收光谱, 荧光光谱，CD光谱等光谱变化对化合物诱导C9orf72六核苷酸重复扩增序列构象变化能力和立体选择性识别进行了详细的研究，筛选出具有稳定或解旋G-四链体结构的化合物，利用 DFT, TD-DFT，分子对接等模拟方法预测了化合物与不同构象 (GGGGCC)n的键和模式(末端堆积、插入、静电)和作用位点，并解释了能量差异。我们完成了对携带C9orf72 (GGGGCC)n突变的ALS疾病的细胞诱导建系，对其生物学特性进行了分析，并从基因的角度证实了建立的C9orf72-ALS细胞系的真实性。同时利用CCK-8系统评价了系列化合物的细胞毒性，流式细胞分析了细胞周期，化合物对G-四链体的稳定与解旋可影响ALS的病程。在原计划细胞研究的基础上，进一步将研究内容拓展到动物层次。通过小鼠血液常规验血和生化试验，系统研究了系列化合物对小鼠的肝肾毒性。同时，对各组化合物取心、肝、脾、肺、肾进行HE染色进行了病理免疫荧光组织化学分析。生物化学、血常规及组织学结果进一步证实Ru1具有较低的全身毒性和较好的体内安全性。本研究为开发潜在的ALS药物提供了相应的理论基础。