Nature综述

图1：G-四联体的结构组成。右图为B细胞淋巴瘤启动子区域中发现的G-四联体结构，其中弯曲的茎环长度分别为3，7和1个核苷酸。 来源：Nature Reviews

生物信息学研究表明，在人体内大约有37万个可以形成G-四联体的基因序列，它们位于双链DNA的延伸区域，特别是在人体端粒末端和癌基因启动区域能够形成G-四联体的序列，如端粒末端重复序列，以及c-MYC、c-KIT、BCL-2、KRAS等原癌基因启动子区域，而且G-四联体的序列排布及其位置在人类和酵母中都是高度保守的。这一现象提示G-四联体具有重要生物学功能。值得注意的是，G-四联体二级结构如何能够在能量上与双链DNA竞争？其一由于细胞核中高浓度的大分子引起的“分子拥挤效应（molecular crowding effects）”为产生和稳定这些结构提供环境支持；另外，由转录产生的能量变化为双链DNA向四链DNA结构的演变提供转化的动力。

图2：X射线晶体衍射和核磁共振（NMR）分析得到的几种基因启动子G-四联体结构。图为基因启动子区域的MYC，BCL-2，KIT1，KIT2，MYB结构序列信息和三维空间结构，右下角为TMPyP4阳离子卟啉配体与MYC基因结合的三维空间结构。来源：Nature Reviews

近三十年来，对于端粒G-四联体核酸结构抑制剂的开发开启了DNA靶向治疗的新时代，而近年来对于启动子G-四联体核酸抑制剂的开发则方兴未艾。核磁共振技术（NMR）的发展可以得到小分子在天然状态下的三维结构，也能对样品进行动态分析，特别适用于研究小分子药物与DNA之间的动态结合和结构解析。目前仅仅报道了几种基因启动子四链体的精细结构（图2），这些启动子G-四联体的结构通过X射线衍射晶体学数据和核磁共振的手段相互印证得到。此外，圆二色光谱和化学印迹技术为启动子G-四联体的折叠模式提供完整的空间拓扑信息。这些编码基因包括MYC，BCL-2，VEGF，HIF1α，PDGFA，PDGFRβ，KRAS，RB1和TERT等。

图3：几种典型的G-四联体配体药物，它们与G-四联体结合具有良好的生物活性。来源：Nature Reviews

G-四联体结构在基因启动子区的高度聚集提示它具有调节基因表达的重要作用，而在管家基因和抑癌基因中G-四联体很少。因而，启动子区域的G-四联体有可能成为抗肿瘤治疗非常理想的靶点。哺乳动物的癌基因c-MYC是研究G-四联体对转录过程影响的最好的体系之一。包括胃肠道癌、卵巢癌、乳腺癌以及淋巴瘤等，约80%的实体肿瘤过度表达MYC。除了转录因子MYC，其他如KARS和KIT基因，临床上被用作治疗胃肠道间质肿瘤的药物靶点。目前，科学家已经开发出了许多能够使G-四联体结构稳定的化合物（图3），大部分化合物结构具有平面芳香大共轭体系且带正电荷，通常是与G-四联体的平面通过π-π堆积和静电作用两种结合模式来稳定的。卟啉TMPyP4是G-四联体靶向配体，目前已经有大量文献报道，特别用于阐明G-四联体的生物学作用；喹叨啉是经典的G-四联结合剂，它具有一个或两个氨基烷基侧链的平面芳香族生色团；这两种化合物的衍生物具有显著的抗增殖特性，并在几种癌细胞系中下调MYC表达。对于G-四联体的更高效的药物是端粒抑素衍生物S2T1-6OTD，它在儿童非典型畸胎瘤中能够降低MYC和TERT基因的表达，导致细胞周期停滞，具有显著的抗增殖作用。

由于上述小分子对特定细胞的生物效应及细胞生长的抑制作用，使得靶向G-四联体成为潜在的抗肿瘤途径，但是仍然需要证明这些分子与细胞内G-四联体的分子靶向作用，并探索在体内各种G-四联体构象的选择性以达到靶向治疗的目的。目前以启动子G-四联体为作用靶点的CX-3543和AS1411两个药物已经走向临床实验。

图4：基于靶向c-MYC启动子G-四联体的抗癌新药CX-3543分子设计及其作用机理。来源：Nature Reviews

Hurley研究组以c-MYC G-四联体为靶点，发现了抗癌新药CX-3543，该药物分子选择性地作用于癌基因启动子c-MYC G-四联体。美国加利福尼亚州圣迭戈Cylene制药公司的研究人员正在开展该药物治疗神经内分泌/类癌肿瘤的II期临床试验（临床试验：NCT00780663）。CX-3543为氟喹诺酮的衍生物，是针对c-MYC启动子的G-四联体设计的药物，对于体内以及体外培养肿瘤细胞具有广谱抑制活性和更好的选择性。肿瘤细胞发生过程中DNA的G-四联体与核仁素形成复合物，使DNA-蛋白质复合物在肿瘤细胞中得以扩增，该过程对于核糖体的合成和成熟起到关键作用。CX-3543的加入引起核仁素的再分配，从而抑制核糖体的生物合成并诱导肿瘤细胞的凋亡，图4总结了目前对CX-3543作用机制的理解。

另一个进入临床实验与G-四联体相关的药物是一段26个富含鸟嘌呤碱基的寡聚核苷酸AS1411，它可以形成G-四联体结构，起到核酸适配体(aptamer)的作用。它是由Miller等人在研究三螺旋结合寡聚核苷酸过程中偶然发现的。在体内外试验中，AS1411可以显著抑制肿瘤细胞的增殖以及肿瘤的生长。AS1411的作用机制与CX-3543非常相似，都与核仁素有关。

总结

上述药物的研究进展为进一步开发更多以G-四联体尤其是启动子G-四联体为靶点的药物提供良好的前景，同时为未来基因治疗提供了新的方向。然而在G-四联体的生物学意义方面尚有很多问题亟待探索和阐明，尤其是其在细胞中所起到的作用。同时，随着X射线单晶衍射技术和NMR技术在G-四联体领域的应用，G-四联体的结构也得到了越来越清晰的认识，以G-四联体为药物靶点进行抗肿瘤药物的筛选为寻找新的抗肿瘤药物提供一个很好的机遇。

参考文献:

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4.Papadopoulos K, Mita A, Ricart A, et al. Pharmacokinetic findings from the phase I study of Quarfloxin (CX-3543): A protein-rDNA quadruplex inhibitor, in patients with advanced solid tumors. Mol Cancer Ther. 2007, 6: 3462S-3463S.

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6.https://www.clinicaltrials.gov/ct2/resultscond=&term=CX3543&cntry=&state=&city=&dist=

7.https://www.clinicaltrials.gov/ct2/results?term=AS1411&rank=2#rowId1

翻译整理 | 邵昱 卢彦冬

编辑 | 玉紫龙

审核 | 唐锋 谷晓辉 刘磊

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