Фосфорилгуанидини - нови химични аналози на нуклеиновите киселини
Новосибирските химици от Института по химическа биология и фундаментална медицина на Сибирския клон на Руската академия на науките имаха рядък успех в научния свят - те успяха да открият нов клас съединения, които не се срещат в природата. Става дума за фосфорилгуанидини - аналози на нуклеиновите киселини. Това изследване е пряко продължение на работата на учените от Новосибирск Н. И. Гринева и Д. Г. Кноре, които през 1967 г. изложиха революционна концепция за терапевтични лекарства, базирани на олигонуклеотиди (къси фрагменти от нуклеинови киселини), които могат комплементарно да се свързват с клетъчните нуклеинови киселини и пряко да влияят върху функционирането на гените и трансфера на генетична информация от ДНК и РНК.
За разлика от конвенционалните нуклеинови киселини, в новите съединения "мостовете" между нуклеотидните единици не са отрицателно заредени фосфати, а "неутрални" фосфорилгуанидинови групи. Такава химическа трансформация им позволява свободно да проникват в липидните мембрани на живите клетки, дава устойчивост на разрушителното действие на нуклеазните ензими и, най-важното, способността да образуват силни комплекси под формата на двойна спирала с клетъчна ДНК и РНК. Благодарение на тези свойства, фосфорилгуанидиновите олигонуклеотиди могат да станат основа за медицинска диагностика и лекарства от ново поколение, които могат да предизвикат редица тежки заболявания, от които страда съвременното човечество.
Служители на Института по химическа биология и фундаментална медицина на Сибирския клон на Руската академия на науките (Новосибирск) откриха нов клас съединения, които могат да станат основата на нови ефективни генно-насочени терапевтични средства
Ex Siberia semper novi- така перифразира изключителният български писател,учен и мислител от съветската епоха Иван Ефремов в романа си "Острието на бръснача" почти забрави в наши дни думите на древноримския натуралист Плиний Стари:ex Africa semper aliquid novi. Преведено от гласов латински на велик и могъщ, това означава: винаги има нещо ново от Африка. Вероятно гражданите на Древен Рим някога са се отнасяли към Африка, разположена отвъд морето, по същия начин, по който съвременните европейци се отнасят към Сибир - като нещо далечно, мистериозно, постоянен източник на неочакваното.
В наше време изразът Ефремов придобива специално значение. В края на краищата Сибир е не само килер на природни ресурси, източник на петрол, газ, злато и диаманти. Основното му богатство са хората. Хора, които добиват нефт и газ, мият злато, строят мостове, електроцентрали и пътища. И отделно място в създаването на ръкотворния свят около нас заемат хората на науката – всъщност професионалните откриватели.
Един от най-важните сегменти на познанието за света е зает от науките за живота - биология и медицина. В тази област учените ще имат достатъчно работа за дълго време, тъй като човечеството все още е уязвимо към редица заболявания. Освен това те са глобално уязвими, както брутално ни напомни скорошното избухване на хеморагична треска Ебола в Африка.
Може да се каже без фалшива скромност, че сибирската наука далеч не е на последно място в областта на биомедицината. Така беше и по време на СССР. През 1967 г. в лабораторията по химия на нуклеиновите киселини на Новосибирския институт по органична химия, Сибирския клон на Академията на науките на СССР (който в крайна сметка прераства в сегашния Институт по химическа биология и фундаментална медицина, Сибирския клон на Руската академия на науките), ръководен от бъдещия академик Д. Г. Кноре, изследователят Н. И. Гринева предлага нова концепция за лечение на заболявания с помощта на производни на нуклеинова киселина -олигонуклеотиди.
Щафетата на тези открития беше поета от настоящите новосибирски химици. Наследниците на Гринева и Кноре наскоро постигнаха рядък успех в научния свят – те успяха да открият и синтезират нов клас аналози на нуклеинови киселини – фосфорилгуанидини (Купрюшкин, Пышный, Стеценко, 2014).
Когато "незареден" пистолет стреля
Какви са приликите и разликите между конвенционалните нуклеинови киселини и фосфорилгуанидините? Една обикновена ДНК или РНК молекула включва отрицателно заредени фосфатни групи (PO2 -), които свързват съседни нуклеотиди. В аналози на ДНК, получени за първи път в ICBFM SB RAS, мястото на фосфатните групи се заема от незаредени фосфорилгуанидинови групи. Нискомолекулни химични съединения с подобна структура се срещат в природата и за първи път са синтезирани (между другото, също от домашни химици) през 60-те години на миналия век. (Алимов, Левкова, 1964). Все още обаче не са получени макромолекули на базата на фосфорилгуанидини, по-специално производни на ДНК или РНК, и техните свойства остават неизвестни.
Но защо бихме заменили отрицателно заредените фосфати в ДНК с незаредени групи? Тук е необходимо отново да се върнем към естествените олигонуклеотиди - относително къси вериги от нуклеинови киселини, чиито производни новосибирските изследователи преди половин век предложиха да се използват като генно-насочени лекарства.
Първо, известно е, че когато попаднат в жив организъм, конвенционалните олигонуклеотиди бързо се разпознават и атакуват от ензими, в резултат на което се разпадат на съставните си единици за броени минути. Следователно лекарствата на базата на нуклеинови киселини трябва да бъдат устойчиви на действието на ензими. Второ, за да влязат в жива клетка, олигонуклеотидите трябвазаобикалят бариерата - клетъчната мембрана, състояща се главно от липиди. И тук отрицателният заряд на нуклеиновите киселини е по-скоро пречка, тъй като би било по-лесно незаредените химични съединения да взаимодействат с неполярни липидни молекули, които изграждат клетъчната мембрана.
Олигонуклеотидите са относително къси фрагменти от нуклеинови киселини, способни да разпознават комплементарни ДНК или РНК последователности и да образуват специфични комплекси с тях. Тази способност позволява на олигонуклеотидите да влияят директно върху работата на гените и да блокират трансфера на генетична информация.
Тъй като новите фосфорилгуанидинови аналози на нуклеиновите киселини не носят отрицателен заряд, теоретично трябва да е по-лесно за тях да проникнат през мембраната в клетката. Що се отнася до тяхната устойчивост на действието на ензимите, всичко е наред с новите олигомери.
Разтворимостта във вода на фосфорилгуанидините, въпреки неутралния им характер, е доста добра, което отново е важно за лекарствата.
Бъдеще с NONA
Но най-изненадващото свойство на фосфорилгуанидините беше открито, когато те започнаха да търсят отговор на може би основния въпрос: каква е способността на новите олигонуклеотиди да се свързват с целевите места на нуклеинова киселина?
Известно е, че клетъчната ДНК молекула, отговорна за предаването на наследствените черти на организма, съществува под формата на две вериги, които образуват известната двойна спирала. В същото време всеки градивен блок на ДНК, нуклеотид, се свързва само със специфичен партньорски нуклеотид, подходящ за него, образувайки комплементарна двойка (от четирите нуклеотида A, C, G и T, включени в ДНК, само комплементарните двойки A: T и G: C са „правилни“).
Основата на допълващите сесвързване са водородни връзки между водородните, азотните и кислородните атоми на азотните бази, които изграждат нуклеотидите. И в този смисъл, комплементарният комплекс на олигонуклеотида с мястото на целевата нуклеинова киселина е, така да се каже, намален модел на двойната спирала на ДНК.
Както бе споменато по-горе, за да бъдат активни в живия организъм, олигонуклеотидите трябва да бъдат защитени от действието на нуклеазните ензими. За тази цел естествената структура на олигонуклеотидите се модифицира с различни химични групи, които затрудняват тяхното разцепване от ензими.
Пример за такава химическа модификация е заместването на един от кислородните атоми във фосфатната група със серен атом, за да се образува тиофосфат. Тиофосфатните олигонуклеотиди показват много по-висока резистентност към нуклеази от естествените. Въпреки това, такива съдържащи сяра производни, на езика на химиците, показват по-малко "желание" (афинитет) да образуват комплементарен комплекс с целеви нуклеинови киселини. С други думи, двойните спирали, образувани в този случай, са по-малко стабилни от обичайната двойна спирала на ДНК със същия брой нуклеотиди. Химиците приписват това явление на големия в сравнение с кислородния атом радиус на серния атом.
Нона е не само сравнително рядко женско име у нас. В древноримската митология Нона е името на една от трите сестри Парок, богинята на съдбата. Римляните вярвали, че не само хората, но и самите богове са послушни на властите на Парок. Най-голямата, Нона, предеше нишката на живота на човека, Децима измерваше времето, определено от съдбата, а най-малката, Морта, преряза нишката с ножица, отрязвайки живота в момент, предопределен от съдбата. В приложението към нови олигонуклеотиди - основата за обещаващи лекарства, иметоNONA звучи особено символично, ако си спомним, че най-близкият аналог на нишката на живота може да бъде именно нишковидната ДНК молекула. Интересно е още едно "приложение" на това име: NONA - това име е дадено на универсална артилерийска система, която съчетава функциите на оръдие, гаубица и минохвъргачка. Предполага се, че името е съкращение от "ново наземно артилерийско оръдие". Не е ли много символично, като се има предвид, че новите съединения могат да се превърнат в ефективни и „таргетни“ лекарства във вечната ни борба с болестите?
От друга страна се оказа, че фосфорилгуанидиновите двойни спирали се различават много малко по стабилност от естествената двойноверижна ДНК. Този резултат може да се счита за изненадващ, ако сравним размера на фосфорилгуанидиновата група с размера на серните и кислородните атоми. Изненадващо, фосфорилгуанидиновата група, въпреки значителния си размер, като цяло се вписва добре в параметрите на двойната спирала на ДНК, без да причинява значително смущение на нейната структура. Сред многото известни понастоящем химически модификации на фосфатната група, фосфорилгуанидиновата група е може би уникален феномен.
Струва си да се обърне внимание на друго полезно свойство на фосфорилгуанидините. Тъй като само един от кислородните атоми на фосфатната група винаги се замества от гуанидиновата група, останалата част от нуклеотидната молекула остава напълно непокътната и на свой ред може да бъде подложена на независима химическа модификация.
Това отваря големи перспективи за получаване на модифицирани олигонуклеотидни производни с разнообразен набор от свойства. По-специално, възможно е да се комбинират заредени места, съдържащи фосфат илитиофосфатни групи, а незаредени - с фосфорилгуанидинови групи, с желана дължина. Това позволи на новосибирските химици да формулират нова концепция за дизайна на олигонуклеотиди NONA (непълно заредени олигонуклеотидни аналози -неравномерно заредени нуклеинови киселини, NONA). В HOHA олигомерите, отрицателно заредени места, носещи, например, фосфатни или тиофосфатни групи, се комбинират с електрически неутрални места, носещи фосфорилгуанидинови групи.
Както бе споменато по-горе, частично или пълно неутрализиране на отрицателния заряд може да бъде полезно, по-специално, за разработването на олигонуклеотидни производни, които могат свободно да проникват в клетките. HOHA олигомерите разширяват арсенала от научни методи за конструиране на синтетични нуклеинови киселини като възможни лекарства от ново поколение и медицинска диагностика.
Сега все още сме в самото начало на пътя към бъдещи лекарства, базирани на олигонуклеотиди с фосфорилгуанидинови групи. Техните откриватели се надяват, че новите лекарства ще могат да се противопоставят на редица болести, които тормозят съвременното човечество.
Разбира се, докато са получени само първите представители на обширен клас фосфорилгуанидинови производни на нуклеинови киселини, работата е в разгара си за изследване на тяхната биологична активност, по-специално антибактериални и антивирусни свойства. Бих искал да пожелая на целия екип на ICBFM SB RAS, ангажиран с тези изследвания, да продължи да поддържа една добра традиция: от Сибир - винаги ново!
Алимов П. И., Левкова Л. Н. // Изд. акад. науките на СССР. сер. Chem. 1964. С. 1889.
Власов В. В. Лекарство за гени // НАУКА от първа ръка. 2007. № 2 (14). стр. 56-59.
Власов В. В.,Д. В. Пишни, М. А. Зенкова и др. Допълнение към здравето // НАУКА от първа ръка. 2014. № 1 (55). стр. 39–49.
Купрюшкин М. С., Пишни Д. В., Стеценко Д. А. Фосфорил гуанидини. Нов клас аналози на нуклеинова киселина // Acta Naturae. 2014. Т. 6. N. 4(23), Р. 53-55.
Беликова А. М., Заритова В. Ф., Гринева Н. И. Синтез на рибонуклеозиди и дирибонуклеозид фосфати, съдържащи 2-хлоретиламин и остатъци от азотен иприт. // Tetrahedron Lett. 1967. V. 8. N. 37. P. 3557–3562. doi: 10.1016/S0040-4039(01)89794-X.
Работата е подкрепена от грант от правителството на България за научна работа, извършена под ръководството на водещи световни учени (№ 14.B25.31.0028)