Interaction of Benzo(c)phenanthridine Alkaloids with DNA

Mgr. Michal Rájecký, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Tato disertační práce je zaměřena na vlastnosti kvartérních benzo[c]fenanthridinových alkaloidů sanguinarinového typu a jejich interakci s DNA. Jsou popsané základní parametry fluorescence sanguinarinu, chelerythrinu, chelirubinu, sanguirubinu, chelilutinu, sanguilutinu a makarpinu (spektra, doby života, kvantový výtěžek, fluorescence v různých rozpouštědlech). Všechny studované kvartérní benzo[c]fenanthridinové alkaloidy jsou za fyziologického pH přítomné v iminiové a alkanolaminové formě. Alkanolmainová forma absorbuje v UV oblasti a fluoreskuje mezi 420 a 450 nm. Iminiová forma navíc absorbuje ve viditelné oblasti a fluoreskuje mezi 590 a 670 nm. V nevodných rozpouštědlech fluorescence odpovídá alkanolaminové formě. U všech kvartérních benzo[c]fenanthridinových alkaloidů s výjimkou sanguinarinu způsobuje interakce s DNA zvýšení fluorescence zhášené iminiové formy. Vazebná konstanta pro interakci sanguilutinu, chelirubinu a makarpinu s dvouřetězcovou DNA byla v rozsahu 105–106 M 1. Byla zjištěna slabá specifita chelirubinu k sekvencím DNA bohatým na guanin a cytosin. Pro sanguilutin taková specifita nebyla nalezena. Stabilizace paralelního G kvadruplexu kvartérními benzo[c]fenanthridinovými alkaloidy byla silnější než stabilizace antiparalelního G kvadruplexu. Bylo studováno možné použití kvartérních benzo[c]fenanthridinových alkaloidů pro kvantifikaci DNA. Limit detekce pro dvouřetězcovou DNA byl 6 ng ml 1 DNA pro chelirubin a 120 ng ml 1 DNA pro sanguilutin. Citlivost chelirubinu je srovnatelná s některými komerčně dostupnými sondami používanými pro kvantifikaci DNA.

Abstract:

This thesis is focused on physicochemical properties of quaternary benzo[c]phenanthridine alkaloids of sanguinarine type and their interaction with DNA. Basic fluorescence parameters (spectra, lifetimes, quantum yield, fluorescence in various solvents) of sanguinarine, chelerythrine, chelirubine, sanguirubine, chelilutine, sanguilutine and macarpine are described. All studied benzo[c]phenanthridine alkaloids are present in iminium and alkanolamine forms at physiological pH. Alkanolamine forms absorb in UV region and fluoresce between 420 and 450 nm. Iminium forms absorb also in visible region and fluoresce between 590 and 670 nm. In non-aqueous media fluorescence resembles alkanolamine form. Interaction with DNA causes enhancement of quenched iminium fluorescence for all benzo[c]phenanthridine alkaloids except sanguinarine. Interaction of sanguilutine, chelirubine and macarpine with double-stranded DNA with constants in the range 105–106 M 1 was found. Weak sequence specificity to DNA regions rich in guanine and cytosine was found for chelirubine, but not for sanguilutine. Stabilization of parallel G quadruplex by benzo[c]phenanthridine alkaloids was higher than stabilization of anti-parallel G quadruplex. Macarpine stabilized only parallel G quadruplexes. The possibility to use quaternary benzo[c]phenanthridine alkaloids for DNA quantification was studied. Limit of detection for double-stranded DNA was 6 ng ml 1 DNA in case of chelirubine and 120 ng ml 1 DNA in case of sanguilutine. Chelirubine sensitivity is comparable to some commercially available DNA probes used for quantitation.

Keywords

alkaloid, fenanthridin, DNA, deoxyribonukleová kyselina, fluorescence, interakce, interkalace, sanguinarin, sanguilutin, sanguirubin, chelerythrin, chelilutin, chelirubin, makarpin, phenanthridine, deoxyribonucleic acid, interaction, intercalation, sanguinarine, sanguilutine, sanguirubine, chelerythrine, chelilutine, chelirubine, macarpine

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 30. 6. 2015

Thesis defence

• Date of defence: 25. 9. 2015
• Supervisor: doc. Mgr. Petr Táborský, Ph.D.
• Reader: doc. RNDr. Jiří Dostál, CSc., doc. Mgr. Martin Vala, Ph.D., doc. PharmDr. Hana Sklenářová, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Chemistry (4-years) / Analytical Chemistry