通过密度泛函理论（DFT）、分子对接和分子动力学模拟，对喹啉唑啉的单乙酰化和四乙酰化衍生物进行了计算机模拟研究，以便与实验得到的DNA结合数据进行比较

《Archives of Biochemistry and Biophysics》：An in silico DNA binding investigation using DFT, molecular docking and molecular dynamics simulation on mono and tetra acetylated derivatives of quinalizarin to enable a comparison with experimental DNA binding data

该研究通过分子模拟分析不同乙酰化喹哪定与DNA的相互作用，发现四乙酰化喹哪定（THAQ-3）因抑制阴离子形成且沟结合增强，其DNA结合常数显著高于单乙酰化（THAQ-2）和无乙酰化（THAQ-1）形式。分子动力学验证了模拟结果，表明THAQ-3在生理pH下具有最佳结合性能，证实全面乙酰化对克服DNA排斥和提升药效至关重要，为开发经济有效的蒽醌类抗癌药物提供理论依据。

　　

Tanmoy Saha | Sayantani Chatterjee | Saurabh Das

化学系（无机化学组），贾达普尔大学，加尔各答-700 032，印度

摘要

苯酚基-OH团解离后，喹啉嗪会产生阴离子，这些阴离子会与DNA发生排斥作用，这限制了其作为蒽环类药物替代品的潜力。早期尝试通过将所有-OH基团转化为乙酰基来防止阴离子的形成，结果发现其与DNA的结合能力增强。尽管观察到与喹啉嗪相比结合能力有所提高，但由于立体体积同时增大，人们对其是否真正体现了乙酰化效应仍存疑。本次基于计算机模拟（in silico）的DNA结合研究旨在探讨如果仅对负责形成单阴离子的-OH基团进行乙酰化，会得到怎样的结果。由于缺乏单乙酰化物质的实验结合数据，因此采用计算机模拟方法进行了研究。分析表明，四乙酰化喹啉嗪的表现优于单乙酰化喹啉嗪；结合能力的提升主要源于沟槽结合而非插入作用。本研究使用了通用DNA模型（PDBID:1BNA）以及专门针对插入作用（PDBID:1Z3F）和沟槽结合作用（PDBID:101D）的模型对三种形式的喹啉嗪（包括标准抗癌药物多柔比星）进行了分析，并对其药物特性进行了评估。计算机模拟结果提示，简化结构的蒽环类药物类似物更具经济性，且对喹啉嗪所有-OH基团的乙酰化在生物学上具有重要意义。

引言

为了开发成本更低的新抗癌剂，羟基-9,10-蒽醌因其结构相似性和对细胞靶DNA的亲和性而被视为蒽环类药物的潜在替代品。然而，这类化合物在生理pH值下会因一个或多个酚基-OH团解离而产生带负电荷的阴离子，从而影响其与DNA的相互作用。研究表明，随着pH值的升高，结合能力逐渐下降，这是由于阴离子之间的相互排斥所致。如果能够解决这一问题，羟基-9,10-蒽醌就有望成为成本更高且结构更复杂的蒽环类药物的可行替代品。基于此，我们对具有显著抗癌活性的1,2,5,8-四羟基-9,10-蒽醌（喹啉嗪，TAHQ）进行了改良。研究发现，在生理pH条件下，C2位的酚基-OH会发生解离形成单阴离子喹啉嗪。虽然理论上对C2位-OH进行乙酰化可以增强其与DNA的结合能力，但实验发现这一过程也会导致其他-OH基团的乙酰化。由于无法经济高效地仅对C2位-OH进行乙酰化，我们最终对喹啉嗪的所有四个-OH基团进行了乙酰化。实验表明，单阴离子喹啉嗪及其他羟基-9,10-蒽醌类化合物在pH升高时的DNA结合亲和力下降；而四乙酰化喹啉嗪不仅阻止了结合亲和力的下降，还在整个生理pH范围内保持了较高的结合常数。因此，通过乙酰化防止阴离子的形成，可以克服单阴离子喹啉嗪与DNA之间的排斥作用，从而提高结合常数。然而，乙酰化也会增加分子的立体体积，这可能对相互作用产生不利影响。因此，我们想知道如果仅对C2位-OH进行乙酰化会带来何种结果。

分子建模的化合物选择

化合物的合成

单阴离子喹啉嗪（THAQ-1）、单乙酰化喹啉嗪（THAQ-2）和四乙酰化喹啉嗪（THAQ-3）是在Chem Draw Ultra 8.0软件中合成的。其中，THAQ-3是在之前的研究中制备的，当时将其命名为TAQ-ace：将0.02克THAQ溶解在5毫升3 M NaOH中，然后倒入装有碎冰的烧杯中，再加入1.0毫升乙酸酐并剧烈搅拌。加入稀HCl后形成的红棕色沉淀被回收利用。

几何结构优化

对于THAQ-1，使用6-31G+(d, p)基组在无约束的B3LYP水平下进行优化；对于THAQ-2和THAQ-3，则在受限的B3LYP水平下进行优化。所有分子的优化结构如图1所示。优化结果显示：THAQ-1的能量为-26905.42 eV，偶极矩为1.4699 Debye，极化率为192.85 a.u.；THAQ-2的能量为-31075.10 eV，偶极矩为5.00 Debye，极化率为210.30 a.u.；THAQ-3的能量为-43531.77 eV，偶极矩为5.98 Debye。

结论

计算机模拟结果显示，四乙酰化喹啉嗪（THAQ-3）与三种DNA模型（PDBID-1BNA、PDBID:3FT6和PDBID:101D）的结合能显著高于单阴离子喹啉嗪（THAQ-1）和单乙酰化喹啉嗪（THAQ-2）。分子动力学模拟结果也证实了计算结合能（MM-GBSA）的合理性。

作者贡献声明

Saurabh Das：撰写初稿、数据可视化、项目监督、方法设计、实验实施、资金申请、数据分析、概念构思。 Tanmoy Saha：撰写修订稿、数据可视化、软件使用、资源协调、方法设计、实验实施、数据分析。 Sayantani Chatterjee：撰写修订稿、数据可视化、资金申请、数据分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

SD感谢UGC-DAE-CSR合作研究计划的支持（项目编号：UGC-DAE-CSR-KC/CRS/l9/RC11/0985）。SC感谢加尔各答Vijaygarh Jyotish Ray学院的校长对她的研究工作的支持与鼓励。TS衷心感谢加尔各答Sri Aurobindo教育学院的“管理机构”对其研究活动的支持。