В ПОИСКАХ НОВЫХ АНТИРАКОВЫХ СРЕДСТВ
Д.Бугреев, аспирант НИБХ СО РАН,
лаборатория ферментов репарации.
Перспективы развития работ
по исследованию возможностей
олигонуклеотидов и их производных
В промышленно развитых странах среди причин смертности раковые
заболевания уже годы занимают второе место. Ухудшение
экологической обстановки приводит к тому, что частота
возникновения онкологических заболеваний в мире постепенно
возрастает, несмотря на значительные достижения в области их
профилактики и лечения. Химиотерапия рака, как на ранних стадиях
заболевания, так и в постоперационный период, является одним из
распространенных методов лечения. Значительные успехи в этой
области были достигнуты с открытием алкалоида растительного
происхождения -- камптосецина, способного подавлять развитие
различных видов опухолей. При внимательном биохимическом изучении
было обнаружено, что препарат очень специфично действует лишь на
один клеточный белок -- ДНК-топоизомеразу I (фермент, изменяющий
топологическое состояние ДНК) и полностью выключает ее из работы.
Этот фермент настолько важен для жизнедеятельности, что клетка
немедленно погибает, как только фермент будет заингибирован.
Данный факт положил начало циклу работ по детальному изучению
механизма действия топоизомеразы, как мишени для антиопухолевых
средств, а также -- поиску ингибиторов фермента, которые в
перспективе могли бы оказаться потенциальными антираковыми
препаратами.
Поиск новых антираковых средств диктуется также некоторыми
ограничениями в использовании камптосецина и его производных в
медицинской практике. Несмотря на то, что такие соединения в
настоящее время интенсивно используются в качестве антираковых
химиотерапевтических препаратов в ряде развитых стран Японии и
США, их применение значительно осложнено их плохой растворимостью
в воде и высокой цитотоксичностью. Но, пожалуй, самым
существенным недостатком является возникновение устойчивости к
таким антираковым препаратам при их длительном применении, что,
несомненно, затрудняет проведение полноценного лечения.
Возникновение устойчивости связывают с появлением в организме
топоизомеразы, нечувствительной к данному препарату, но как обойти
такое препятствие, в настоящее время непонятно.
Хорошо известно, что многие лекарственные средства являются
специфическими ингибиторами определенных ферментов. Знание
механизмов их действия может служить хорошей базой для
рационального создания таких ингибиторов и, возможно, в будущем
даже лекарственных препаратов. В Новосибирском институте
биоорганической химии СО РАН существует хорошая база для такого
рода исследований. Так, в лаборатории профессора Г.Невинского
активно ведутся работы по изучению различных ферментов. Кроме
топоизомеразы, о которой более подробно пойдет речь ниже,
исследуются ферменты репарации (необходимые для сохранения
геномной ДНК), некоторые ферменты вируса иммунодефицита человека
и многие другие.
Топоизомераза, как фермент, взаимодействующий со специфической
последовательностью ДНК, является интересной моделью для изучения
белково-нуклеиновых взаимодействий. Тот факт, что топоизомераза
является мишенью для ряда антираковых препаратов, превращает
фермент в идеальный объект для биохимического исследования.
Работа по изучению фермента была разделена на две части. Первая
включала в себя изучение тонких аспектов взаимодействия фермента
с ДНК и выявление основных факторов, обеспечивающих действие
топоизомеразы на разных стадиях катализа. Во второй части
планировалось на основании полученных результатов попытаться
получить эффективный ингибитор фермента.
Уже в самом начале работы было обнаружено, что различные
специфические и неспецифические олигонуклеотиды способны
эффективно взаимодействовать с топоизомеразой и ингибировать ее
действие. Причем, эффективность ингибирования специфическими
олигонуклеотидами была сравнима или даже больше, чем в случае уже
известных антираковых препаратов. Дальнейшее изучение действия
фермента позволило определить роль различных участков
специфической последовательности, с которой связывается
топоизомераза на различных стадиях узнавания и ферментативного
катализа. При этом был обнаружен специфический олигонуклеотид
минимальной длины, но при этом обладающий наибольшей ингибирующей
способностью. Выявлено четыре основных фактора, обеспечивающих
преимущественное взаимодействие фермента с его природным
субстратом. На основании полученных данных сделаны предположения
о механизмах узнавания топологического состояния ДНК ферментом.
Результаты по исследованию топоизомеразы при помощи подходов,
разработанных в лаборатории профессора Г.Невинского, хорошо
согласуются с полученными недавно результатами
рентгеноструктурного анализа белка и вместе позволяют получить
достаточно наглядную картину работы фермента.
То, что специфические олигонуклеотиды обладают достаточно высокой
ингибирующей способностью, уже позволяет рассматривать их в
качестве перспективных антиопухолевых средств. В принципе, идея
использования олигонуклеотидов в терапевтических целях
прорабатывается уже давно. Идея использования
реакционно-способных аналогов олигонуклеотидов для подавления
экспрессии определенных генов была впервые предложена в 1967 году
в Новосибирском институте биоорганической химии СО РАН, и
получила широкий резонанс во всем мире.
За прошедшие годы институтом накоплен громадный опыт в этом
направлении. Значительные достижения были сделаны в области
олигонуклеотидного синтеза, получения различных производных
олигонуклеотидов, изучения физико-химических аспектов их
взаимодействия с ДНК-мишенью. Благодаря существующим наработкам,
довольно привлекательной является попытка получения селективных
ингибиторов топоизомеразы на основе олигонуклеотидной химии.
Так, для увеличения ингибирующей способности олигонуклеотидов,
было предложено использовать дополнительные ингибирующие
группировки, присоединенные к концам первых, которые также могли
взаимодействовать с ферментом. Эта часть работы начата совсем
недавно, но определенные результаты уже получены. Обнаружено, что
гидрофобные остатки этидия, дейтеропорфирина, гемина,
холестерина, дейтеротестерона, эстрона и нафтохинона,
присоединенные к олигонуклеотиду, могут увеличивать ингибирующую
способность последнего. Также проводятся работы по использованию
уже известного ингибитора камптосецина в качестве дополнительной
ингибирующей группы. Нужно отметить, что такие группировки,
помимо ингибирующего эффекта, могут увеличивать внутриклеточную
стабильность олигонуклеотидов и способствовать их проникновению
через клеточную мембрану.
Использование в качестве таких групп соединений из класса
лекситропсинов также является весьма перспективным, поскольку эти
соединения имеют широкий спектр антивирусной активности in vitro
и действенны против различных линий опухолевых клеток.
С этой целью была исследована ингибирующая возможность недавно
синтезированных лекситропсинов нового класса, способных
связываться в малой бороздке ДНК, по отношению к топоизомеразе.
Обнаружено, что данные соединения способны ингибировать действие
фермента с высокой эффективностью. Установлена зависимость
эффективности связывания этих лекситропинов с ферментом от их
структуры и длины. Можно предположить, что коньюгаты таких
соединений с олигонуклеотидами также будут обладать высоким
ингибирующим потенциалом.
Ожидается, что все вышеупомянутые олигонуклеотидные производные
не должны вызывать возникновения устойчивых к ним форм фермента,
поскольку связывание ДНК-подобных структур является основной
функцией топоизомеразы.
Полученные данные открывают новые перспективы к рациональному
созданию противоопухолевых препаратов на основе олигонуклеотидов
и их производных.
Необходимо отметить, что данная работа проводится в
сотрудничестве, как с зарубежными, так и с российскими учеными.
Безусловно, очень полезными являются контакты, налаженные с
лабораторией профессора Т.Андо (Япония) и НПО "Вектор"
(Кольцово). Совместная работа проводится также с лабораторией
А.Груздева (ИЦИГ СО РАН) и с Институтом лазерной физики СО РАН.
В заключение хотелось бы отметить, что российская наука сейчас
переживает далеко не лучшие времена. Тяжелое экономическое
положение в стране, отсутствие достаточного финансирования
привели к массовому отъезду ведущих ученых за границу. И
поскольку поправить ситуацию в науке в целом в ближайшее время
вряд ли удастся, одним из приоритетных направлений приходится
считать поддержку молодых ученых, которые в будущем должны будут
составить костяк российской науки.
Полтора года назад Президиумом СО РАН была предпринята акция по
финансированию проектов молодых ученых, проводимых на конкурсной
основе. Данная работа в рамках проекта "Белково-нуклеиновые
взаимодействия в системах защиты клетки от внешних воздействий"
также была поддержана грантом СО РАН. Несмотря на оказываемую в
течение этого времени финансовую поддержку, само решение нужно
рассматривать в большей степени как политическое. Внимание к
молодежи, проявленное Президиумом СО РАН, позволило молодым
ученым почувствовать свое не последнее место в развитии и
становлении сибирской науки. Продиктованное работой над грантом
создание коллективов молодых ученых, зачастую работающих в разных
областях науки, также дало интересные результаты и способствовало
развитию нового взгляда на исследования, проводящиеся на стыке
наук.
Прошедшая в апреле научная сессия Президиума Сибирского
отделения, заслушавшая отчеты молодых ученых по грантам СО РАН,
показала эффективность такого подхода. Это позволяет надеяться,
что подобная практика будет продолжена и получит более широкий
региональный масштаб. Возможно, этот шаг окажет свое особенное
влияние на развитие сибирской науки, ведь еще Михаил Ломоносов
говорил, что "Российское могущество прирастать будет Сибирью".
На снимках:
-- аспирант Д.Бугреев и студент Д.Хлиманков анализируют
полученные результаты;
-- аспирант Д.Бугреев и к.х.н. Д.Семенов осуществляют синтез
производных олигонуклеотидов.
стр.
|
