Имена | |
---|---|
Название ИЮПАК N-[(3S,9R,14S,15E,19S,21R,24R)-6-хлоро-24-[(2S,4R,5S,6S)-4,5-дигидрокси-4,6-диметилоксан-2-ил]окси-14-[(2S,4S,5S,6S)-5-(диметиламино)-4-гидрокси-6-метилоксан-2-ил]окси-11-оксо-4,12,20-триокса-7-азапентацикло[13.6.2.2 5,8 .1 3,21 .0 19,21 ]гексакоза-1,5,7,15,25-пентаен-17,22-диин-9-ил]-3-гидрокси-7,8-диметокси-6-пропан-2-илоксонафталин-2-карбоксамид | |
Идентификаторы | |
| |
3D модель ( JSmol ) |
|
ChemSpider |
|
КЕГГ |
|
CID PubChem |
|
| |
| |
Характеристики | |
С53Н60ClN3O16 | |
Молярная масса | 1 030 .52 г·моль −1 |
Появление | Аморфное твердое вещество темно-желтого цвета |
Опасности | |
Охрана труда и техника безопасности (OHS/OSH): | |
Основные опасности | Цитотоксический, мутагенный |
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа). |
Кедарцидин — это хромопротеиновый противоопухолевый антибиотик, впервые выделенный из актиномицета в 1992 году, включающий анса-мостиковый энедииновый хромофор (показан), а также апопротеин , который служит для стабилизации токсина в актиномицете. Как и другие члены класса энедиинов , названных так из-за девяти- или десятичленной структуры ядра, несущей алкен, непосредственно прикрепленный к двум алкинильным отросткам, кедарцидин, вероятно, эволюционировал для уничтожения бактерий, которые конкурируют с продуцирующим организмом. Однако, поскольку он достигает этого, вызывая повреждение ДНК , кедарцидин способен также наносить вред опухолевым клеткам. Таким образом, кедарцидин является предметом научных исследований как из-за его структурной сложности, так и из-за его противораковых свойств.
Кедарцидин был впервые обнаружен в 1992 году, когда биопробы, проведенные в Bristol-Myers Squibb, указали на присутствие хромопротеина, повреждающего ДНК, в ферментационном бульоне штамма актиномицетов. Участие непептидного хромофора было выведено с помощью УФ-спектроскопии, а обращенно-фазовая хроматография использовалась для отделения этого нековалентно связанного хромофора от его хозяина-апопротеина. Этот изолят — хромофор кедарцидина — легко разлагался в условиях окружающей среды и, как было показано, обладал цитотоксичностью ( IC 50 0,4 нг/мл, линия клеток колоректальной карциномы человека HCT-116 ). [1]
Последующие эксперименты по ЯМР , масс-спектрометрии , химической деградации и дериватизации позволили группе по изоляции идентифицировать ключевые структурные особенности хромофора кедарцидина, включая бициклическое ядро ендиина, анса-мостиковое хлорпиридильное кольцо, сахара микарозы и кедарозамина и нафтоамидный придаток. Однако из-за проблем, связанных со сложной структурой, в первоначальном отчете было несколько ошибок. Бициклическое ядро оказалось особенно сложным для деконволюции, поскольку интерпретация корреляций NOE привела к тому, что исследователи неправильно определили относительную стереохимию стереотетрада ядра. Более того, поскольку глобальная абсолютная химия была назначена на основе корреляций NOE между стереоопределенным сахаром L -микарозы и агликоном , ошибки стереотетрада распространились на два других стереоцентра агликона. Связность нафтоамидной группы с мостиком ansa также была неправильно оценена в первоначальном отчете.
Эти ошибки были позже исправлены независимыми синтетическими усилиями исследователей из Университета Тохоку и Гарвардского университета . В 1997 году, на пути к первоначально сообщенной структуре, исследователи под руководством Масахиро Хирамы обнаружили, что спектроскопические данные предложенного производного хлоразатирозила ( S ) -α-аминокислоты не согласуются с данными продукта деградации, охарактеризованного Leet et al . Вместо этого группой Хирамы было предложено и подтверждено производное ( R ) -β-аминокислоты . Этот пересмотр привел Хираму и др . к инвертированию также других стереоцентров агликона, что позволило получить пересмотренную структуру хромофора кедарцидина, которая отличалась только относительной стереохимией углерода, несущего микарозу, C10. [2] Наконец, в 2007 году Майерс и его коллеги синтезировали структуру, предложенную Хирамой и др .; соответствующие данные ЯМР-спектроскопии отличались от данных для натурального продукта, что привело группу Майерса к пересмотру стереохимии углерода, содержащего микарозу, до 10-( S ). [3]
Как и другие энедиины, хромофор кедарцидина включает в себя основную структуру, которая образует разрушительные свободные радикалы, а также придатки, которые доставляют эту «боеголовку» к ее ДНК-мишени. Таким образом, общий механизм, посредством которого хромофор кедарцидина повреждает ДНК, известен; однако детали этого процесса — в частности, необходимость нуклеофильной активации — были оспорены.
Объединяющим механизмом биоактивности всех антибиотиков-ендиинов является циклизация Бергмана , при которой часть ендиина подвергается спонтанной циклоароматизации с образованием пара - бензинового бирадикала, активированного в направлении гомолитического отщепления водорода от подходящих доноров, включая дезоксирибозные сахара ДНК. Это создает свободный радикал с углеродным центром на ДНК, который подвергается окислению молекулярным кислородом. Образующийся пероксид распадается с образованием одно- или двухцепочечных разрывов в ДНК, что в конечном итоге приводит к гибели клетки. [5]
Обладая значительной селективностью последовательности, хромофор кедарцидина связывает и расщепляет ДНК преимущественно на участках TCCTn-mer, производя одноцепочечные разрывы. Как ни странно, в то время как структура хромофора кедарцидина наиболее тесно связана со структурой хромофора неокарциностатина , первый разделяет специфичность последовательности со структурно отличным противоопухолевым антибиотиком калихеамицином ендиином. Субструктура нафтойной кислоты вовлечена в связывание ДНК, вероятно, посредством интеркаляции . С этой целью расщепление ДНК, вызванное хромофором кедарцидина, уменьшается путем добавления двухвалентных катионов, таких как Ca 2+ и Mg 2+ , которые хелатно связывают группу нафтойной кислоты хромофора кедарцидина и, таким образом, уменьшают его сродство к ДНК. Конкурентные эксперименты с нетропсином , известным связывателем малой бороздки ДНК, показывают, что кедарцидин, вероятно, также связывает малую бороздку. [6]
Было высказано предположение, что in vivo нуклеофильное присоединение тиолятов к C12 и последующее открытие эпоксида ядра запускают циклизацию Бергмана в хромофоре кедарцидина. Предполагается, что нуклеофильная активация уменьшает напряжение кольца, вызванное образованием циклоароматизированного продукта, и таким образом активирует хромофор кедарцидина к разрыву ДНК. [6] В исследованиях по изоляции и структурной характеристике, проведенных Leet et al ., [1] восстановление хромофора кедарцидина боргидридом натрия C12вызвало быструю циклоароматизацию и, таким образом, облегчило исследования в противном случае нестабильного природного продукта. Следовательно, C12-нуклеофильная активация широко предлагается в обзорной литературе [5] как возможное средство запуска события циклоароматизации in vivo .
Недавние данные свидетельствуют о том, что спонтанная циклоароматизация хромофора кедарцидина конкурирует с нуклеофильной биоактивацией, если не является преобладающим механизмом in vivo . В то время как расчеты MM2 показывают, что двойная связь C1–C12 в бициклическом ядре придает значительное напряжение кольца (около 14 ккал·моль −1 ) трициклу [6,5,5], образованному при циклизации-восстановлении Бергмана, Хирама и др. отмечают, что 5,9-конденсированное ядро ендиина подвержено циклоароматизации-восстановлению в отсутствие как тиоловых «активирующих агентов», так и (нерастворимых) доноров водорода. Агликон хромофора кедарцидина аналогичным образом подвергается восстановительной циклоароматизации с сопоставимыми скоростями независимо от присутствия β-меркаптоэтанола , обычного тиолового восстановителя. [7] В модельной системе было обнаружено, что 5,9-бициклическое ядро хромофора кедарцидина существует в равновесии с соответствующим 5,5,6-трициклическим циклоароматизированным бирадикалом. [4] Скорость распада псевдопервого порядка этой модели ендиина в значительной степени зависит от способности растворителя быть донором водорода, что указывает на то, что стадия отщепления водорода после образования бирадикала является кинетически значимой в циклоароматизации ендиина, в отличие от ациклических систем, где образование самого бирадикала, как известно, является стадией, ограничивающей скорость. [8] Примечательно, что из исследованных растворителей тетрагидрофуран — структурно гомологичный дезоксирибозе — привел к сравнительно быстрому разложению 5,9-конденсированного ендиинового каркаса ( t ½ = 68 мин); [4] Zein et al. независимо отмечают, что отщепление водорода от дезоксирибозы 4', скорее всего, задействовано в биоактивности хромофора кедарцидина. [6]
В 2007 году Майерс и его коллеги из Гарвардского университета сообщили о синтезе хромофора C10-эпи-кедарцидина, соответствующего пересмотренной структуре 1997 года, предложенной Хирамой и др . Решающее значение для успеха этого начинания имел ретросинтетический анализ , который был сосредоточен на конвергентном связывании компонентов с примерно одинаковой химической сложностью. Несколько основных проблем хромофора C10-эпи-кедарцидина, а также стратегии, используемые для решения этих проблем, обсуждаются ниже.
Нестабильность по отношению к путям циклизации-восстановления Бергмана представляет собой серьезную угрозу для любого предлагаемого синтеза энедиинов . Майерс и его коллеги устранили эту уязвимость путем дегидратационной установки олефина на поздней стадии. Без этой ненасыщенности, связывающей два алкинильных мостика, синтетические промежуточные продукты не склонны к деструкции типа Бергмана, и риск деструкции смягчается. В этом случае дегидратация пропаргилового спирта была вызвана обработкой сульфураном Мартина .
При нацеливании на хромофор 10-эпи-кедарцидина Майерс и др . стремились установить эпоксидную функциональность в син-положении к соседней гидроксильной группе C10. Это было достигнуто с помощью катализируемого ванадием эпоксидирования, направляемого гидроксильной группой C10. [9] Если бы был желателен природный C10-( S )-эпимер, можно предположить, что триалкилсилильная защита гидроксила C10 привела бы к желаемому продукту эпоксидирования α-грани путем стерической окклюзии β-грани олефина; однако без направляющей группы для ускорения окисления проксимального алкена эта гипотетическая реакция, вероятно, страдала бы от плохой региоселективности , поскольку окисление других ненасыщенностей C–C в молекуле конкурировало бы с желаемой реакцией.
Майерс и его коллеги были пионерами в применении трансаннулярных анионных реакций циклизации в синтезе 5,9-конденсированного бициклического ядра хромофора кедарцидина и хромофора неокарциностатина . В первом воплощении доставка гидрида в циклический тетраин направлялась координацией алюминия с проксимальным алкоксидом, таким образом генерируя желаемое ядро ендиина за один шаг посредством двух последовательных циклизаций типа 5-экзо-диг . [10] Синтезы ядра более позднего поколения прерывают эту каскадную циклизацию, полагаясь на обмен лития и галогена на циклическом винилбромиде для генерации предшественника винилового аниона для бициклического продукта. [3] [11]
Бициклическое ядро хромофора C10-эпи-кедарцидина было получено путем последовательного применения трех реакций формирования углерод-углеродной связи, как показано на ретросинтетической схеме выше. Сначала была проведена реакция Соногаширы между бромвиниловым электрофилом и алкиновым нуклеофилом; замыкание кольца с получением циклического триина было затем достигнуто путем реакции Глазера двух терминальных алкинов. 5,9-конденсированное бициклическое ядро было установлено путем генерации in situ виниллитиевых видов, которые подверглись трансаннулярной 5-экзо-диг циклизации.
Макролактон с анса-мостиковым соединением был сконструирован после первой реакции сочетания Соногаширы с использованием макролактонизации Шиины . [12] Этот протокол был выполнен в граммовом масштабе без уменьшения его выхода с использованием 2-метил-6-нитробензойного ангидрида , 4-диметиламинопиридина и триэтиламина в качестве основания для содействия внутримолекулярной этерификации.
Способы, с помощью которых бактерии строят энедиины, подобные кедарцидину, продолжают мотивировать исследования. Хромофор кедарцидина, помимо карбоциклического ядра, которое он разделяет с другими энедиинами, представляет дополнительные биосинтетические головоломки: относительная стереохимия групп, присоединенных к карбоциклическому ядру хомофора кедарцидина, отличается от таковой у близкородственных энедиинов; субструктура ( R )-2-аза-3-хлоро-β- тирозина не была идентифицирована ни в одном другом известном природном продукте; и, несмотря на кажущуюся простоту, существует мало литературных прецедентов для биосинтеза изопропокси-заместителя нафтонатной группы.
Биосинтетические генные кластеры, кодирующие биологический механизм, ответственный за производство энедиинов, были клонированы и охарактеризованы для пяти 9-членных энедиинов ( C-1027 , [13] неокарциностатин , [14] мадуропептин , [15] споролиды , [16] и кедарцидин [17] ) и трех 10-членных энедиинов ( калихеамицин , [18] эсперамицин , [19] и динемицин [20] ). Сравнительные исследования этих биосинтетических аппаратов показали, что энедииновое ядро этих молекул инициируется общим ферментом, энедиинполикетидсинтазой (ПКС). Полиеновый продукт этого фермента затем дивергентно перерабатывается в 9- или 10-членные ядра энедиинов в зависимости от конкретных присутствующих ферментов, связанных с ПКС. Затем производящие организмы применяют конвергентную биосинтетическую стратегию, в рамках которой различные периферические отростки энедиинов прикрепляются к основной структуре, образуя конечный продукт.
В 2013 году исследователи из Научно-исследовательского института Скриппса и Висконсинского университета в Мадисоне сообщили об успешном клонировании и характеристике кластера биосинтеза кедарцидина (« ked ») . [17] Идентичность этого клонированного кластера генов была подтверждена kedA , геном в кластере, который кодирует ранее изолированный апопротеин кедарцидина, а также kedE и kedE10 , совместная экспрессия которых в E. coli привела к образованию характерного продукта гептаена, ранее вовлеченного в биосинтез ядра энедиина.
Субъединица 2-аза-β-тирозина хромофора кедарцидина вообще неизвестна ни в одном другом природном продукте; это отсутствие прецедента сводит на нет любую попытку априорной идентификации генов, ответственных за синтез этой структуры. Однако шесть генов сохраняются среди биосинтетических кластеров кедарцидина, C-1027 и мадуропептина — хотя эти два последних энедиина не содержат субъединицу 2-аза-β-тирозина, они имеют схожие компоненты, полученные из ( L ) -тирозина , что привело Шена и др. к предложению пути синтеза соответствующей субъединицы кедарцидина, начинающегося с 2-аза- L -тирозина. [17] Таким образом, считается, что эта α-аминокислота преобразуется в соответствующую β-аминокислоту с помощью KedY4, аминомутазы , кодируемой в кластере ked . Предполагается, что полученный продукт загружается на белок-носитель пептидила KedY2 и впоследствии хлорируется KedY3, галогеназой, зависимой от флавинадениндинуклеотида . [17]
Понимание биосинтеза изопропокси-2-нафтонатного дополнения было аналогичным образом получено путем сравнительного анализа кластера ked с кластерами неокарциностатина и мадуропептина , энедиинов с нафтонатными или бензоатными подструктурами соответственно. Пять генов, KedN1–N5, имеют высокую гомологию последовательностей с ферментами, ответственными за синтез нафтоната в неокарциностатине, следовательно, предполагается промежуточное звено 3,6,8-тригидрокси-2-нафтойной кислоты в биосинтезе кедарцидина. Считается, что это соединение оксигенируется до 3,6,7,8-тетрагидроксипроизводного, затем трижды O -метилируется KedN1, O -метилтрансферазой. Чтобы получить уникальный изопропоксизаместитель, Шен и др. вызывают двойное С- метилирование соответствующей метоксигруппы радикальной SAM- метилтрансферазой KedN5. [17]
Из-за своей неспецифической цитотоксичности, нестабильности в условиях окружающей среды и относительной дороговизны выделения и производства хромофор кедарцидина не был тщательно исследован в качестве терапевтического кандидата. Однако недавние научные достижения, обсуждавшиеся выше, помогли уменьшить это последнее препятствие, поскольку полностью синтетические и биосинтетические пути к масштабируемому производству кедарцидина теперь доступны. Более того, с ростом популярности терапии конъюгатами антитела и препарата , токсичность может быть смягчена за счет целенаправленной доставки этого мощного цитотоксина, что потенциально позволяет проводить эффективную терапию, использующую минимальные количества этого сложного материала. Недавняя разработка инотузумаба озогамицина , конъюгата антитела и препарата на основе калихеамицина для лечения неходжкинской лимфомы, усиливает потенциал энедиинов для поиска критического применения в лечении заболеваний человека. Таким образом, биологический потенциал и сложная молекулярная архитектура кедарцидина, вероятно, могут вдохновить на дальнейшее научное изучение этого вещества и, возможно, предоставить новое оружие в войне против рака.