Energetika, konformace a rozlišení DNA poškozené protinádorově účinnými metalofarmaky.

Mgr. Ondřej HRABINA

Doctoral thesis

Energetics, conformation and recognition of DNA damage induced by antitumour metal-based drugs.

Anotácia:

Chorobám moderní doby jakožto nejrozšířenějším a nejvíce zákeřným onemocněním vévodí rakovina. V dalších 30 letech se předpokládá až dvounásobný nárůst pacientů trpících touto nemocí. Tento nepříznivý trend spolu se současným stavem vedou k překotnému vývoji nových a efektivnějších chemoterapeutik. Nedílnou součástí moderní chemoterapie rakoviny jsou komplexy přechodných kovů. Nejúspěšnějším a jedním z nejvyužívanějších chemoterapeutik je cisplatina. Objev její biologické aktivity Barnetem Rosenbergem odstartoval syntézu nových cytostatik na bázi přechodných kovů. Cílem této rozsáhlé vědecké studie je objevení cytostatik s vyšší účinností a vyšší paletou citlivých nádorů. Dále je vyvíjena snaha o minimalizaci nežádoucích účinků, jako je nevolnost, nefrotoxicita, ototoxicita a v neposlední řadě tzv. získaná rezistence k léčbě. Výše zmíněné komplikace při léčbě konvenčními cytostatiky jsou hlavní hnací silou ve vývoji nových léčiv. Mezi možnosti modifikace cytostatik patří například záměna centrálního atomu, změna oxidačního stavu centrálního atomu či změna geometrie ligandů. V poslední době je také velice populární modifikace cytostatika různými biologicky aktivními ligandy, které podporují duální nebo multimodální efekt léčiva. Jedním z těchto komplexů je velice slibný {[cis-Pt(NH3)2Cl]2(4,4'-methylenedianilin)}2+. Jedná se o nový polynukleární komplex. Jeho protinádorová účinnost je srovnatelná s cisplatinou a u buněk na cisplatinu necitlivých dokonce vyšší. Jeho další zajímavou vlastností je tvorba podobné deformace v sekundární struktuře DNA ve srovnání s cisplatinou, přestože tvoří diametrálně odlišný typ aduktů na DNA. Také je nutné zmínit, že na rozdíl od konvenčních cytostatik tvoří meziřetězcové vazby výhradně ve směru 3'-3'. Další cestou je návrh nových struktur metalofarmak, které nejsou založeny na derivatizaci dosud využívaných cytostatik. Příkladem těchto nových struktur jsou takzvané "helikáty", závitnicové struktury obsahující různé atomy kovů navržené prof. Hannonem (University of Birmingham, UK). Helikáty jsou chirální struktury složené z 2 kovových atomů a 3 rigidních organických ligandů. Helikátní struktury nasyntetizované prof. Scottem (University of Warwrick, UK) se ukázaly jako velice účinná antimikrobiální agens působící i na některé gram negativní bakterie. Zajímavý je také fakt, že pozorované vlastnosti helikátů při interakci s bakteriemi byly velice podobné jako u zavedených antibiotik. Tyto helikáty také silně interagují s DNA. Pouze dva helikáty, a to oba enantiomery 1 se váží na DNA organizovaně. Ostatní helikáty se váží náhodně. Vzhledem k polykationnímu charakteru těchto komplexů jsou tyto látky schopny velice účinně kondenzovat DNA. V neposlední řadě jsou tyto látky schopny velice účinně inhibovat klíčové buněčné enzymy, jako je RNA polymeráza či topoisomeráza I. Oxidativní poškození DNA při aerobní respiraci a oxidativním stresu se objevuje v široké paletě nemocí. Častým příkladem je oxidativní poškození pyrimidinových bází, zejména cytosinu. 5-hydroxyuridin a 5-methylhydroxyuridin jsou dva zástupci takovýchto poškození. Zatímco 5-hydroxyuridin je známý svou mutagenní aktivitou, 5-methylhydroxyuridin je považován za slibnou epigenetickou značku. Tento rozdíl je velice zajímavý vzhledem k minimálnímu rozdílu v jejich struktuře. Vliv inkorporace těchto lézí do DNA byl studován simulací translézové syntézy a z hlediska termodynamiky metodou "Microscale" termoforézy. Bylo zjištěno že, polymerázy schopné snadno obejít poškození způsobené 5-methylhydroxyuridinem a to pravděpodobně způsobuje jeho menší mutagenitu, což je konzistentní s j

Anotácia:

eho rolí jako epigenetické značky.

Abstract:

Cancer is the most widespread disease of modern times. Approximately two-fold rise of cancer patients is expected in the next 30 years. This unpleasant trend combined with the current status of development leads to the rapid development of new and more effective chemotherapeutics. Metal-based drugs represent an integral part of modern chemotherapy of cancer. The most successful and one of the most used chemotherapeutics is cisplatin. Discovery of its biological activity by Barnett Rosenberg started the synthesis of new cytostatic drugs based on transition metals. The goal of this enormous project was the discovery of cytostatic drugs with higher efficiency and a larger portfolio of sensitive tumours in comparison with cisplatin. There is also a great effort to reduce undesirable side effects of the drug such as nephrotoxicity or ototoxicity. Another significant problem is so-called acquired resistance. These complications are the main driving force for the development of new drugs. A way to modify cytostatic drugs is for example change of central atom, change of oxidative state of the central atom, or altering of the ligand geometry. Recently modification of the cytostatic drug by biologically active ligands grew in popularity. One of those derivates is very prominent {[cis-Pt(NH3)2Cl]2(4,4'-methylenedianiline)}2+. It is a new polynuclear platinum-based drug. Its antitumor efficiency is comparable with cisplatin for cells sensitive to cisplatin. Notably, this complex is efficient in cells resistant to cisplatin. Another important property of this complex is also a creation of DNA distortions similar to those induced by cisplatin, even though adducts on DNA made by this complex are dramatically different. Interstrand crosslinks produced by this complex are formed exclusively in the 3'-3' direction, compared to the 5'-5' direction observed in conventional platinum-based drugs. Another path for developing new structures of metal-based drugs is to design structure that is not based on drugs used so far. Example of these structures are so-called metallohelicates, helical structures designed and synthesized by prof. Hannon (University of Birmingham, UK). These metallohelicates are chiral structures composed of three relatively rigid organic ligands and two metal ions. Helicate structures developed and synthesized by prof. Scott (University of Wawrick, UK) have shown very promising antimicrobial activity towards gram-negative bacteria. The observed activity and properties of the helicates are very similar to some conventional antibiotics. These structures also interact with DNA. The organized bond was observed only in both enantiomers of helicate 1. Oher helicates were bound unorganized. Moreover, these helicates are very potent agents that condense/aggregate DNA. Interestingly, a decrease of activity of key cellular enzymes such as RNA polymerase or topoisomerase I in the presence of helicates has been observed. Oxidative damage of the DNA during aerobic respiration and oxidative stress is involved in various diseases. A typical example is oxidative damage of pyrimidine bases, especially cytosine. Two representatives are 5-hydroxyuridine and 5-methylhydroxyuridine. While 5-hydroxyuridine is known for its mutagenic activity, 5-methylhydroxyuridine is considered as potent epigenetic marker. This difference is very interesting because there is only a slight difference in their structures. The effect of incorporation these two lesions into DNA was observed by microscale thermophoresis and simulation of translesion synthesis. The results have shown that polymerases were able simply to bypass damage caused by 5-methylhydroxyuridine, which is probably responsible for its lesser mutagenicity. The observed results are in agreement with the role of 5-methylhydroxyuridine as an epigenetic marker.

Kľúčové slová

DNA, kovové komplexy, poškození, konformace

Jazyk práce: Czech

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 4. 6. 2020

Obhajoba závěrečné práce

• Vedúci: prof. RNDr. Viktor Brabec, DrSc.

Palacký University Olomouc

Faculty of Science

Doctoral programme / odbor:
Physics / Biophysics