氮宾离子与DNA核苷的反应机理研究

Nitrenium ions have been proposed as intermediates in DNA damaging reactions which lead to convert a normal cell into a cancer cell. It has been known for many years that nitrenium ions, from aromatic amines and amides, have mutagenic properties and implication as “ultimate carcinogens” which cause DNA damage. Thus, nitrenium ions not only spark interest in chemical aspects but also in biochemical aspects as well. Previous studies have indicated that the aryl nitrenium ions, such as 2-fluorenylnitrenium ion and 4-biphenylnitrenium ion are able to selectively react with guanine derivative in DNA to form the C8-intermediate. However, few reports have been conducted for the reaction between diaryl nitrenium ions and DNA bases. Thus, we propose to develop new precursors for the nitrenium ions in order to achieve more stable ground singlet nitrenium ions for further study. We also propose to study the alkylation reaction between the selected diaryl nitrenium ion and DNA bases, characterize the involved intermediate and figure out the reaction mechanisms, which will prove improved evidence in studying the carcinogenic mechanisms. The results of the proposed research will be compared with previous results observed for the aryl nitrenium ions to induce our deeper thoughts on how the different electronic configuration of diaryl nitrenium ions influence the electrophilic reaction towards the DNA bases. Those novel study will help us better understand the mechanisms for the nitrenium ion induced carcinogenic characterization and help the developing of the anti-cancel studies.

氮宾离子被认为是导致DNA损伤从而引起正常细胞癌变的反应中间体。长期以来，由芳香胺和酰胺转化产生的氮宾离子，被认为具有诱变特性以及导致DNA损伤的强致癌能力。因此，氮宾离子不仅在化学领域，同时在生化领域具有重要的研究意义。之前的研究指出，单芳基氮宾离子，例如 芴基氮宾离子和联苯基氮宾离子，都可以选择性地与DNA鸟嘌呤衍生物反应产生C8中间体。然而，目前却没有任何关于双芳基氮宾离子和DNA核苷反应的研究报告。因此，本项目拟合成新的双芳基氮宾离子前驱体，研究不同取代基对双芳基氮宾离子电子构型和亲电性的影响，研究并分析双芳基氮宾离子和DNA脱氧核苷的反应机理，并且与单芳基氮宾离子 和DNA脱氧核苷加成反应做详细比较，阐明氮宾离子的电子构型对DNA烷基化反应机理的影响，这些信息不仅有助于生物学家研究氮宾离子等活性中间体的致癌机理，而且可以为相关的抗癌药物研发等相关研究工作提供理论和实验依据。

我们利用2,4,6-三甲基吡啶四氟硼酸盐作为离去基团，成功合成得到了双溴代双苯基2,4,6-三甲基吡啶四氟硼酸盐，并且通过激光光解成功产生新的双芳基氮宾离子。我们继续利用时间分辨吸收光谱，纳秒时间分辨吸收光谱和纳秒时间分辨拉曼振动光谱成功捕获了双芳基氮宾离子，并且得到了其动力学特征。由于双芳基氮宾离子的对称性结构，其C-N-C键的对称伸缩振动信息可以轻易被时间分辨共振拉曼光谱捕捉到。紧接着，我们根据双芳基氮宾离子的光谱特征，研究了双芳基氮宾离子与不同亲核试剂的亲核反应过程。本研究也利用了密度泛函理论计算来模拟了双苯基氮宾离子的电子吸收光谱与拉曼振动光谱，并结合计算很好地归属了实验捕捉的反应中间体。同时，通过研究氮宾离子与DNA核苷的反应，我们成功捕获了新的N7中间体，为氮宾离子与DNA核苷光诱导反应机理的探索提供直接证据。通过此次的研究工作，不仅成功观测和分析短寿命高活性的双芳基氮宾离子的化学活性，并且首次研究它们与DNA核苷的反应机理。因此，通过此次研究工作，我们发现了双苯基氮宾离子与单苯基氮宾离子与DNA核苷的亲电反应活性区别，并发现氮宾离子的电子构型决定了与DNA核苷的反应位点，这可能也将为生物学家在癌变研究方面提供建设性指导。