Kedarcidin
|
|
|
|
| Namn | |
|---|---|
|
IUPAC-namn
N-[(3S,9R,14S,15E,19S,21R,24R)-6-klor-24-[(2S,4R,5S,6S)-4,5-dihydroxi-4,6-dimetyloxan-2- yl]oxi-14-[(2S,4S,5S,6S)-5-(dimetylamino)-4-hydroxi-6-metyloxan-2-yl]oxi-11-oxo-4,12,20-trioxa-7 -azapentacyklo[13.6.2.2 5,8 .1 3,21 .0 19,21 ]hexacosa-1,5,7,15,25-pentaen-17,22-diyn-9-yl]-3-hydroxi-7 ,8-dimetoxi-6-propan-2-yloxinaftalen-2-karboxamid
|
|
| Identifierare | |
|
|
|
3D-modell ( JSmol )
|
|
| ChemSpider |
|
| KEGG |
|
|
PubChem CID
|
|
|
|
|
|
| Egenskaper | |
| C53H60ClN3O 16 _ _ _ _ _ _ _ | |
| Molar massa | 1 030,52 g ·mol −1 |
| Utseende | Bufffärgad amorf fast substans |
| Faror | |
| Arbetssäkerhet och hälsa (OHS/OSH): | |
|
Huvudsakliga faror
|
Cytotoxisk, mutagen |
|
Om inte annat anges ges data för material i standardtillstånd (vid 25 °C [77 °F], 100 kPa).
|
|
Kedarcidin är ett kromprotein -antitumörantibiotikum som först isolerades från en Actinomycete 1992, bestående av en ansa-bryggad endiyne- kromofor (visas) samt ett apoprotein som tjänar till att stabilisera toxinet i Actinomycete. Liksom andra medlemmar av enediyne -klassen av läkemedel - så uppkallad efter den nio- eller tio-ledade kärnstrukturen som bär en alken direkt fäst till två alkynylbihang - utvecklades kedarcidin troligen för att döda bakterier som konkurrerar med den producerande organismen. Eftersom det uppnår detta genom att orsaka DNA- skada kan kedarcidin också skada tumörceller. Kedarcidin är således föremål för vetenskaplig forskning, både för dess strukturella komplexitet och dess anticanceregenskaper .
Upptäckt och strukturförklaring
Kedarcidin upptäcktes först 1992 när bioanalyser utförda vid Bristol-Myers Squibb indikerade närvaron av ett DNA-skadande kromoprotein i fermenteringsbuljongen av en Actinomycete-stam. Inblandningen av en icke-peptidisk kromofor härleddes genom UV-spektroskopi, och omvänd faskromatografi användes för att separera denna icke-kovalent bundna kromofor från dess apoproteinvärd. Detta isolat - kedarcidinkromofor - sönderdelade lätt under omgivande förhållanden och visades ha cytotoxicitet ( IC50 0,4 ng/ml, HCT-116 human kolorektal karcinomcellinje ).
Efterföljande NMR- , masspektrometri- , kemisk nedbrytnings- och derivatiseringsexperiment gjorde det möjligt för isoleringsteamet att identifiera de viktigaste strukturella egenskaperna hos kedarcidinkromoforen, inklusive den bicykliska enediyne kärnan, den ansa-överbryggande klorpyridylringen, mykarosen och kedarosaminsockerarna, och kedarosaminsocker, amid. Men på grund av de utmaningar som den komplexa strukturen medför hade den första rapporten flera fel. Den bicykliska kärnan visade sig vara särskilt svår att dekonvolutera, eftersom tolkningen av NOE- korrelationer fick forskarna att felaktigt tilldela den relativa stereokemin hos kärnstereotetrad. Dessutom, eftersom global absolut kemi tilldelades på basis av NOE-korrelationer mellan det stereodefinierade L -mykarossockret och aglykonet , spred sig felen i stereotetrad till de andra två stereocentran av aglykonen. Naftoamidgruppens anslutning till ansa-bron missbedömdes också i den första rapporten.
Dessa fel korrigerades senare av oberoende syntetiska ansträngningar från forskare vid Tohoku University och Harvard University . 1997, på väg till den ursprungligen rapporterade strukturen, upptäckte forskare under ledning av Masahiro Hirama att de spektroskopiska data för det föreslagna klorozatyrosyl ( S ) -α-aminosyraderivatet inte överensstämde med de för nedbrytningsprodukten som kännetecknas av Leet et al . . Istället föreslogs och validerades ett ( R )-p -aminosyraderivat av Hirama-gruppen. Denna revidering ledde Hirama et al . för att invertera de andra aglykonstereocentran också, vilket ger en reviderad struktur av kedarcidinkromoforen som endast skilde sig åt i den relativa stereokemin hos det mykarosbärande kolet, C10. Slutligen, 2007, syntetiserade Myers och medarbetare strukturen som föreslagits av Hirama et al .; motsvarande NMR-spektroskopiska data skilde sig från de för naturprodukten, vilket ledde till att Myers-gruppen reviderade stereokemin för det mykarosbärande kolet till 10-( S ).
Handlingsmekanism
Liksom andra endiynes, omfattar kedarcidin kromofor en kärnstruktur som bildar destruktiva fria radikaler, såväl som bihang som levererar denna "stridsspets" till dess DNA-mål. Således är den allmänna mekanismen genom vilken kedarcidinkromofor skadar DNA känd; detaljerna i denna process - särskilt nödvändigheten av nukleofil aktivering - har emellertid ifrågasatts.
![Equilibrium of kedarcidin chromophore core and Bergman-cycloaromatized biradical.[4]](https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Kedarcidin_core_Bergman_equilibrium.png)
Friradikal DNA-skada
Den förenande mekanismen för bioaktivitet i alla endiyne-antibiotika är Bergman-cykliseringen , där endiyn-delen genomgår spontan cykloaromatisering för att generera en para - bensen -biradikal aktiverad mot homolytisk utvinning av väte från lämpliga donatorer, inklusive deoxiribossocker i DNA. Detta genererar en kolcentrerad fri radikal på DNA, som genomgår oxidation av molekylärt syre. Den resulterande peroxiden sönderdelas och bildar enkel- eller dubbelsträngade brott i DNA, vilket i slutändan leder till celldöd.
Med avsevärd sekvensselektivitet binder kedarcidinkromoforen och klyver DNA företrädesvis vid TCCTn-mer-ställen, vilket ger enkelsträngsbrott. Förbryllande nog, medan strukturen hos kedarcidinkromoforen är närmast besläktad med den hos neocarzinostatin-kromoforen , delar den förra sekvensspecificitet med det strukturellt distinkta kalicheamicin -endiyn-antitumörantibiotikumet. Naftosyrasubstrukturen har varit inblandad i DNA-bindning, troligen genom interkalering . För detta ändamål minskas kedarcidinkromofor-inducerad DNA-klyvning genom tillsats av tvåvärda katjoner såsom Ca 2+ och Mg 2+ , som kelativt binder naftoinsyragruppen i kedarcidinkromoforen och därmed minskar dess affinitet för DNA. Konkurrensexperiment med netropsin , ett känt bindemedel för DNA-minor groove, indikerar att kedarcidin sannolikt binder mindre groove också.
Nukleofil aktivering
In vivo nucelofil tillsats av tiolater till C12 och åtföljande öppning av kärnepoxiden har antagits utlösa Bergman-cyklisering i kedarcidinkromofor. Nukleofil aktivering tros minska den ringstam som uppstår vid bildning av den cykloaromatiserade produkten och därmed aktivera kedarcidinkromoforen mot DNA-klyvning. I isolerings- och strukturkarakteriseringsstudierna utförda av Leet et al ., inducerade C12- natriumborhydrid -reduktion av kedarcidinkromofor snabb cykloaromatisering och underlättade sålunda studier av den annars instabila naturprodukten. Följaktligen föreslås C12-nukleofil aktivering omfattande i översiktslitteraturen som ett möjligt sätt att utlösa cykloaromatiseringshändelsen in vivo .
![Ring strain associated with the C1-C12 double bond in kedarcidin chromophore core.[4]](https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ring_strain_MM2.png)
Nya bevis tyder på att spontan cykloaromatisering av kedarcidinkromofor är konkurrenskraftig med nukleofil bioaktivering, om inte den dominerande mekanismen in vivo . Medan MM2- beräkningar visar att C1–C12-dubbelbindningen i den bicykliska kärnan ger en avsevärd mängd ringtöjning (ca. 14 kcal·mol −1 ) till [6,5,5] trehjulingen som bildas vid Bergman-cyklisering–reduktion, Hirama et al. Observera att den 5,9-fusionerade endiyn-kärnan är mottaglig för cykloaromatisering-reduktion i frånvaro av både tiol "aktiverande medel" och (icke-lösningsmedel) vätedonatorer. Kedarcidinkromoforaglykonen genomgår på liknande sätt reduktiv cykloaromatisering vid jämförbara hastigheter oavsett närvaron av β-merkaptoetanol, en vanlig tiolreduktant. I ett modellsystem fann man att den 5,9-bicykliska kärnan av kedarcidinkromoforen existerar i jämvikt med den motsvarande 5,5,6-tricykliska cykloaromatiserade biradikalen. Hastigheten för pseudo-första ordningens sönderfall av denna modell enediyne är starkt beroende av lösningsmedlets vätedonatorförmåga, vilket indikerar att väteabstraktionssteget efter biradikal bildning är kinetiskt signifikant i cykloaromatiseringen av endiynen, i motsats till acykliska system, där bildning av själva biradikalen är känt för att vara det hastighetsbegränsande steget. Det är anmärkningsvärt att av de undersökta lösningsmedlen ledde tetrahydrofuran — strukturellt homolog med deoxiribos — till jämförelsevis snabb sönderdelning av den 5,9-fusionerade endiyn-ställningen ( t ½ = 68 min); Zein et al. självständigt anmärka att deoxiribos 4'-väteabstraktion är mest sannolikt operativ i kedarcidinkromofor bioaktivitet.
Syntes av epi-kedarcidinkromofor
År 2007 rapporterade Myers och medarbetare vid Harvard University syntesen av C10-epi-kedarcidin-kromoforen, motsvarande den 1997 reviderade strukturen som utvecklats av Hirama et al . Avgörande för framgången för denna strävan var retrosyntetisk analys som fokuserade på den konvergenta kopplingen av komponenter med ungefär lika kemisk komplexitet. Flera av de stora utmaningarna med C10-epi-kedarcidin-kromoforen, såväl som de strategier som används för att ta itu med dessa svårigheter diskuteras nedan.
Inneboende instabilitet hos enediyne-kärnan
Instabiliteten mot Bergmans cykliserings -reduktionsnedbrytningsvägar utgör ett stort hot mot varje föreslagen syntes av fiender . Myers och medarbetare åtgärdade detta ansvar genom att installera olefinen med dehydrering i ett sent skede. Utan denna omättnad som förbinder de två alkynylbryggorna, disponeras inte syntetiska intermediärer mot nedbrytning av Bergman-typ, och risken för nedbrytning minskas. I detta fall inducerades dehydrering av en propargylalkohol genom behandling med Martin sulfurane .
Epoxid stereokemi
Vid inriktning av 10-epi-kedarcidin-kromofor, Myers et al . försökte installera epoxidfunktionaliteten syn till den intilliggande C10-hydroxylgruppen. Detta åstadkoms genom vanadinkatalyserad epoxidation riktad av C10-hydroxylgruppen. Hade den naturliga C10-( S )-epimeren varit önskvärd, är det tänkbart att trialkylsilylskydd av C10-hydroxylen skulle leda till den önskade a-yt-epoxidationsprodukten genom sterisk ocklusion av olefinens p-yta; men utan en styrgrupp för att påskynda oxidationen av en proximal alken, skulle denna hypotetiska reaktion sannolikt lida av dålig regioselektivitet , eftersom oxidation av andra C-C-omättningar i molekylen skulle konkurrera med den önskade reaktionen.
Konstruktion av den bicykliska kärnan
Myers och medarbetare har banat väg för tillämpningen av transannulära anjoniska cykliseringsreaktioner i syntesen av den 5,9-fusionerade bicykliska kärnan av kedarcidinkromofor och neokarzinostatinkromofor . I den första inkarnationen styrdes hydridleverans till en cyklisk tetrayne av aluminiumkoordination till en proximal alkoxid, vilket genererade den önskade enediyne-kärnan i ett steg via två på varandra följande cykliseringar av 5-exo-dig -typ. Senare generations synteser av kärnan fångar upp denna kaskadcyklisering, som förlitar sig på litium-halogenutbyte på en cyklisk vinylbromid för att generera vinylanjonprekursorn till den bicykliska produkten.
Den bicykliska kärnan av C10-epi-kedarcidin-kromoforen framställdes genom sekventiell applicering av tre kol-kolbindningsbildande reaktioner, som visas i det retrosyntetiska schemat ovan. Först utfördes en Sonogashira-koppling mellan en bromovinylelektrofil och alkynylnukleofil; ringslutning för att ge en cyklisk triyn åstadkoms sedan genom Glaser-koppling av två terminala alkyner. Den 5,9-fuserade bicykliska kärnan etablerades genom in situ- generering av en vinyllitiumart som genomgick transannulär 5-exo-gräv-cyklisering.
Ansa-överbryggande makrolakton
Den ansa-överbryggande makrolaktonen konstruerades efter den första Sonogashira-kopplingen, med användning av Shiina-makrolaktonisering . Detta protokoll utfördes i gram-skala utan att minska dess utbyte med användning av 2-metyl-6-nitrobensoesyraanhydrid , 4-dimetylaminopyridin och trietylamin som bas för att främja intramolekylär förestring.
Biosyntes
Metoden med vilka bakterier konstruerar endiynes som kedarcidin fortsätter att motivera forskning. Kedarcidinkromoforen, bortom den karbocykliska kärnan som den delar med andra endiynes, presenterar ytterligare biosyntetiska pussel: Den relativa stereokemin för grupperna som är anslutna till den karbocykliska kärnan i kedarcidinchomoforen skiljer sig från den hos närbesläktade enediynes; ( R )-2-aza-3-klor-β- tyrosin -substrukturen har inte identifierats i någon annan känd naturprodukt; och trots dess till synes enkelhet existerar lite litteraturföreträde för biosyntesen av isopropoxisubstituenten i naftonatgruppen.
De biosyntetiska genklustren som kodar för det biologiska maskineriet som är ansvarigt för att producera endiyner har klonats och karakteriserats för fem 9-ledade enediyner ( C-1027 , neocarzinostatin , maduropeptin , sporolider och kedarcidin), och tre 10-ledade enediaminer ( , och calicheaminecin ) dynemicin ). Jämförande studier av dessa biosyntetiska apparater har visat att endiynkärnan i dessa molekyler initieras av ett vanligt enzym, endiynpolyketidsyntas (PKS). Polyenprodukten av detta enzym utvecklas sedan divergent till de 9- eller 10-ledade kärnorna av endiynerna beroende på de specifika PKS-associerade enzymer som finns närvarande. En konvergent biosyntetisk strategi används sedan av de producerande organismerna, varvid de varierande perifera bihangen av endiynerna fästs vid kärnstrukturen för att tillhandahålla den slutliga produkten.
rapporterades den framgångsrika kloningen och karaktäriseringen av det biosyntetiska klustret kedarcidin (" ked ") av forskare vid Scripps Research Institute och University of Wisconsin-Madison . Identiteten för detta klonade genkluster bekräftades av kedA , en gen i klustret som kodar för det tidigare isolerade kedarcidinapoproteinet, såväl som kedE och kedE10 , vars samuttryck i E. coli ledde till bildningen av en signaturheptaen produkt som tidigare var inblandad i enediyne kärnbiosyntes.
2-aza-β-tyrosinsubenheten av kedarcidinkromofor är helt okänd i någon annan naturlig produkt; denna brist på företräde frustrerar varje försök till a priori identifiering av generna som är ansvariga för att syntetisera denna struktur. Men sex gener är bevarade bland de biosyntetiska klustren av kedarcidin, C-1027 och maduropeptin - medan dessa senare två endiyner inte innehåller en 2-aza-β-tyrosinsubenhet, har de liknande ( L ) -tyrosin - härledda komponenter ledande Shen et al. att föreslå en väg för syntesen av motsvarande kedarcidinsubenhet som börjar med 2-aza- L -tyrosin. Denna a-aminosyra tros således omvandlas till motsvarande p-aminosyra av KedY4, ett aminomutas som kodas i ked -klustret. Den resulterande produkten antas laddas på peptidylbärarproteinet KedY2 och därefter kloreras av KedY3, ett FAD -beroende halogenas.
Insikt i biosyntesen av isopropoxi-2-naftonatbihanget erhölls på liknande sätt genom jämförande analys av ked -klustret som de för neocarzinostatin och maduropeptin , endiynes med naftonat- respektive bensoatsubstrukturer . Fem gener, KedN1–N5, har hög sekvenshomologi med enzymerna som är ansvariga för naftonatsyntes i neocarzinostatin - följaktligen föreslås intermediären av 3,6,8-trihydroxi-2-naftosyra i kedarcidinbiosyntes. Denna förening tros syresättas till 3,6,7,8-tetrahydroxiderivatet och sedan O -metyleras tre gånger med KedN1, ett O -metyltransferas. För att tillhandahålla den unika isopropoxisubstituenten, Shen et al. åberopa dubbel C -metylering av motsvarande metoxigrupp av radikalen SAM- metyltransferas KedN5.
Slutsats
På grund av dess ospecifika cytotoxicitet, instabilitet under omgivande förhållanden och relativa kostnader för isolering och tillverkning, har kedarcidinkromofor inte undersökts noggrant som en terapeutisk kandidat. De senaste vetenskapliga framstegen som diskuterats ovan har dock tjänat till att minska detta sista hinder, eftersom helsyntetiska och biosyntetiska vägar mot skalbar kedarcidinproduktion nu är inom räckhåll. Dessutom, med den ökande populariteten för antikropps-läkemedelskonjugatterapier , kan toxicitetsansvar mildras genom riktad leverans av detta potenta cellgift, vilket potentiellt möjliggör effektiva terapier som använder minimala mängder av detta komplexa material. Den senaste utvecklingen av inotuzumab ozogamicin , ett calicheamicin-baserat antikropps-läkemedelskonjugat för behandling av non-Hodgkin lymfom, förstärker potentialen hos endiynes att finna kritisk användning vid behandling av mänskliga sjukdomar. Således kan den biologiska potentialen och den komplexa molekylära arkitekturen hos kedarcidin troligen inspirera till ytterligare vetenskaplig undersökning av detta ämne och möjligen leverera ny ammunition i kriget mot cancer.