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Design and synthesis of metal binding moiety analoges of bleomycin design and synthetic studies of DNA minor groove binding molecules : new stapled polyamide

Title
Design and synthesis of metal binding moiety analoges of bleomycin design and synthetic studies of DNA minor groove binding molecules : new stapled polyamide
Authors
김성은
Issue Date
2001
Department/Major
대학원 분자생명과학부
Publisher
이화여자대학교 대학원
Degree
Master
Abstract
본 논문은 part A와 part B 두 부분으로 나뉘어져 있는데, part A에서는 bleomycin의 metal binding site를 모방한 화합물의 디자인 및 합성에 관한 내용이고, part B는 DNA의 minor groove에 결합하는 staple형 폴리아마이드의 디자인 및 합성에 관한 내용이다. Streptomyces verticillus로부터 추출된 bleomycin은 항암제, 항생제로서의 기능을 가지며 이의 중심 부위인 metal binding site는 DNA cleavage에 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. Part A에서는 이러한 중요한 기능을 가지는 bleomycin의 metal binding site를 변형하여 새로운 리간드를 개발하였으며, 이는 철과의 결합 구조를 분석하고 반응 메커니즘의 이해와 나아가 DNA 절단 반응으로의 응용에 큰 기여를 하리라 예상되며 따라서 매우 흥미로운 연구 과제가 아닐 수 없다. Bleomycin의 metal binding moiety는 크게 3부분으로 나뉘는데, β-aminoalaninamide moiety, pyrimidine moiety 그리고 β-hydroxyhistidine moiety를 변형하여 blemycin 자체보다 철과의 chelation과 O2 activation?? 높일 수 있는 리간드를 디자인하여 합성하였다. Potassium cyanide로부터 출발하여 총 6-7단계를 거쳐 27-38%의 수득률로 compound I-IV를 합성하였다. Symmetric 형태의 non-BLM type의 리간드인 compound V와 VI도 합성하였으며, 이는 pyridine 2,6-dicarboxylic acid를 출발물질로 하여 총 2-3단계를 거쳐 58%, 84%의 수득률로 얻어졌다. Part B에서는 DNA minor groove에 결합하는 새로운 형태의 staple형 폴리아마이드를 합성하는 내용에 관한 것이다. 방향족 아미노산으로 이루어진 폴리아마이드는, 바이러스의 유전자인 RNA가 DNA를 만들어 가는 중 생겨나는 중간 물질인 DNA-RNA hybrid의 염기쌍과 강한 수소 결합을 이룸으로써 double helix가 풀리는 것을 방지하고, 따라서 바이러스의 성장과 분열을 막는 항바이러스성 효과를 지닌다. 본 연구에서는 이런 폴리아마이드에 한번도 합성되어진 적이 없는 -N-C-C-N-으로 연결된 특별한 staple형 linker와 분자 내에 수소 결합을 도입함으로써, 특정한 염기쌍에 대한 결합 친화력과 specificity를 높이려 하였다. 이러한 폴리아마이드가 DNA와 선택적으로 결합을 이루고 있는 모습은 x-ray 회절 분석을 통해 밝힐 예정이며, 이는 본 연구의 최종 목표인 HIV-1 역전사 효소의 저해제를 찾는 하나의 과정으로 의미가 크다고 할 수 있다. 이러한 폴리아마이드의 합성은 그것을 구성하는 단위체들의 합성에서부터 시작되었으며, 폴리아마이드 I과 II를 구성하는 5종류의 단위체를 합성하였고 단위체들간의 부분적인 coupling 과정을 수행하였다. 폴리아마이드 II의 합성을 위해 methoxymethyl기의 demethylation model study를 하였으며, 이 결과 BBr3가 가장 유력한 시약임을 알 수 있었다. ; In part A, we carried out design and synthesis of metal binding moiety analoges of bleomycin. Bleomycin(BLM) are a family of glycopeptide antitumor and antibiotics isolated from culture of Streptomyces verticillus in 1966. BLM comprises a linear hexapeptide and a disaccharide and each part of the molecule appears to play its specified role co-operatively to exert the antitumor activity. The metal binding site of bleomycin plays an important role as dioxygen activator by the ferrous complex in base sequence specific cleavage of DNA. The metal binding moiety consists of three portions β-aminoalaninamide, 5-methyl-6-aminopyrimidine and β-hydroxyhistidine. In our model study on the metal binding site of BLM, we designed and synthesized six analoges modified three portions of metal binding affinity with iron and oxygen activating efficiency. The synthesis began with a commercially available potassium cyanide and treated with mucochloric acid to afford pyrimidine derivatives, compound 4. Final product, Compound I was synthesized from potassium cyanide overall 35% yield, compound II 27% yield in 7steps, compound III 38% yield and compound IV 33%yield in 6steps, respectively. And also we designed and synthesized new non□BLM type ligands with symmetrized coordination environment. Compound V and VI having pyridine moiety instead of pyrimidine moiety were synthesized from pyridine 2,6-dicarboxylic acid overall 58% yield in 3 steps and 84% yield in 2 steps, respectively. In part B, we carried out design and synthetic studies toward the new stapled polyamide binding to DNA minor groove. Polyamides containing aromatic amino acid are known to show antiviral activities. The drug□s mechanism of action is well established that ployamides are strongly hydrogen bonded to DNA-RNA hybrid base pairs during synthesis of DNA from HIV-1 RNA. The complex forbids the hybrid double helix from unwinding, consequently causes damage to growth and division of virus. In our studies, we designed the new stapled polyamide with optimal stapled linkages. In an effort to improve the binding affinity and specificity to the DNA base sequence, we introduced the optimal stapled linkage, that is the use of the four-atom linkage□N-C-C-N- between pyrrole or imidazole ring methyl positions. Also introduction of hydroxyl groups to the remaining pyrrole and imidazole methyls should help the formation of desired binding structure in the narrower DNA double helix minor groove. To synthesize the long-chain polyamides, we obtained the appropriate monomers, such as N-methylpyrrole, N-methylimidazole, N-methoxymethylpyrrole, N-methoxymethylimidazole and β-aminopropionitrile. Methoxymethylpyrrole derivative and methoxymethylimidazole derivative were synthesized from commercially available pyrrole or imidazole. And β-aminopropionitrile was synthesized from available potassium phthalimide using Gabriel synthesis. And we carried out coupling reaction between monomers. In order to synthesize hydroxymethylpyrrole or hydorxymethylimidazole, we studied demethylation reaction of methoxymethyl group.
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