Untersuchung der DNA-bindenden Eigenschaften neuer Nukleobasen-gekoppelter Pyrrolcarboxamide, Combilexine und Hetaren[a]carbazol-Derivate: Validierung und Etablierung von in-vitro- und in-silico-Methoden

Da maligne Neoplasien durch Mutationen in Proto-Onko- und/oder Tumorsuppressorgenen ausgelöst werden, stellt die DNA eines der wichtigsten Targets für die Entwicklung neuer Zytostatika dar. Auch bei den im Arbeitskreis Pindur designten und synthetisier-ten Verbindungen der Nukleobasen-gekoppelten Pyrrolcarboxamid-, der Hetaren[a]carbazol- und der Combilexin-Reihe handelt es sich um DNA-Liganden mit potentiell antitumoraktiven Eigenschaf-ten. Die einen dualen Bindemodus aufweisenden Combilexine bestehen aus einem Interkalator (u. a. Naphthalimid, Acridon), der über einen Linker variabler Kettenlänge mit einer rinnenbin-denden, von Netropsin abgeleiteten Bispyrrol-, oder einer bioisosteren Imidazol-, Thiazol- oder Thiophen-pyrrolcarboxamid-struktur verknüpft ist. Das N-terminale Ende der Combilexine wird von einer N,N-Dimethylaminopropyl- oder -ethyl-Seitenkette gebildet. Die DNA-Affinitäten der Liganden wurden mittels Tm-Wert-Messung-en bestimmt. Diese Denaturierungsexperimente wurden sowohl mit poly(dAdT)2- als auch mit Thymus-DNA (~42% GC-Anteil) durchge-führt, um Aussagen zur Stärke und zur Sequenzselektivität der DNA-Bindung machen zu können. Des Weiteren wurden die Bindekon-stanten einiger ausgewählter Vertreter mit Hilfe des Ethidium-bromid-Verdrängungsassays ermittelt; einige Testverbindungen wurden zudem auf potentiell vorhandene, TOPO I-inhibierende Eigenschaften untersucht. Diese biochemischen und biophysika-lischen Tests wurden durch Molecular Modelling-Studien ergänzt, die die Berechnung von molekularen Eigenschaften, die Durch-führung von Konformerenanalysen und die Simulation von DNA-Ligand-Komplexen (Docking) umfassten. Durch Korrelation der in vitro-Befunde mit den in silico-Daten gelang es, vor allem für die Substanzklasse der Combilexine einige richtungweisende Struktur- Wirkungsbeziehungen aufzustellen. So konnte gezeigt werden, dass die Einführung eines Imidazol-Rings in die rinnen-bindende Hetaren-pyrrolcarboxamid-Struktur der Combilexine aufgrund der H-Brücken-Akzeptor-Funktion des sp2-hybridisierten N-Atoms eine Verschiebung der Sequenzselektivität der DNA-Bindung von AT- zu GC-reichen Arealen der DNA bedingt. Zudem erwies sich ein C3-Linker für die Verknüpfung des Naphthalimids mit dem rinnenbindenden Strukturelement als am besten geeignet, während bei den Acridon-Derivaten die Verbindungen mit einem N-terminalen Buttersäure-Linker die höchste DNA-Affinität aufwiesen. Dies ist sehr wahrscheinlich auf die im Vergleich zum Naphthalimid-Molekül geringere y-Achsen-Ausdehnung (bzgl. eines x/y-Koordinatensystems) des Acridons zurückzuführen. Die ermittelten Struktur-Wirkungsbeziehungen können dazu herangezogen werden, das rationale Design neuer DNA-Liganden mit potentiell stärkerer DNA-Bindung zu optimieren.Malignant neoplasms are derived by mutations in proto-onco- and/or tumor suppressor genes. Therefore, DNA is one of the most important targets for the development oft anticancer drugs. The new derivatives of the nucleobase-conjugated pyrrole carboxamides, the hetarene[a]carbazoles and the combilexin series designed and synthesized in our group, belong to these DNA-targeting compounds with potential antitumor activity. The combilexins show a dual binding mechanism by consisting of an intercalating tricyclic system (e. g. naphthalimide, acridone), which is connected by a linker with varying length to a minor groove binding, Netropsin related bispyrrole or to a bioiso-steric imidazole-, thiazole- or thiophene-pyrrole carboxamide structure. The N-terminal end of the combilexins is built by an N,N-dimethylamino-propyl or -ethyl side chain. To estimate the DNA binding affinity of these ligands Tm-value measurements were performed. For these DNA thermal denaturation studies, poly(dAdT)2- as well as calf thymus DNA (~42% GC base pairs) were used to determine the strength and the sequence selectivity of drug binding. Besides, ethidiumbromide displace-ment assays were performed to determine the binding constants of some chosen derivatives and the possibly existing topoiso-merase I inhibition activity of the ligands was estimated by the help of a topoisomerase I relaxation assay. These biophysi-cal and biochemical experiments were supplemented by molecular modelling studies which include the calculation of molecular properties, the performance of conformational analysis and the simulation of DNA-ligand complexes (docking). The association of the computer-generated data with the experimental results made it possible to develop structure activity relationships, especially for the derivatives of the combilexin series. It could be shown for example, that the usage of imidazole for the construction of the minor groove binding hetarene-pyrrole carboxamide structure results in a shift of the sequence selectivity of drug binding from AT- towards GC-rich areas of DNA because of the H-bond acceptor properties of the sp2-hybridised nitrogen atom. Besides, it has been proved that a C3-linker is the most suitable tether for the connection of a naphthalimide molecule with the groove binding element, while among the acridone derivatives the compounds with a C4-linker show the highest DNA binding affinities. This is probably attri-buted to the smaller y-axis-range of the acridone structure com-pared to the naphthalimide tricyclus. The estimated structure activity relationships should affect the synthetic design of more efficient antitumor drugs