聚酰胺抑制基因转录研究进展

【摘要】 　　聚酰胺（polyamide）是一类人工合成的小分子，能以序列特异性与DNA小沟结合，从而干扰天然转录因子与特定DNA序列的结合，实现对特定基因表达的调控。此类小分子发展迅速，近年来与烷化剂连接而提出了基因沉默新途径，具有特异基因治疗的潜力。本文总结了聚酰胺对特定基因转录抑制的研究进展。

【关键词】 聚酰胺　启动子　基因转录；转录因子。

Suppression of Gene Transcription by Polyamide —— Review。

Abstract Polyamide is a synthetic small molecule that recognizes predetermined sequences in the minor groove of DNA with affinities and specificities compared to those of DNAbinding proteins. Polyamide can suppress gene transcription by interfering with the attachment of natural transcription factors and DNA. The alkylating polyamides represent a novel approach for sequencespecific gene silencing ,which might be applied to gene therapy. The research on suppression of gene transcription by polyamide was reviewed in this paper.

Key words polyamide；promoter；gene transcription; transcription factor。

真核生物基因表达最重要的环节是转录水平的调控，人工合成的能够与DNA序列识别和结合的小分子成为化学、分子生物学及医学等领域关注的焦点之一。继DNA、RNA反义技术和RNA干扰（RNAi）技术之后，能够识别DNA序列的聚酰胺（polyamide）分子的研究十分引人注目［1］。聚酰胺是人工合成的小分子，由芳环通过酰胺键连接而成。已经发现，这些小分子不仅具有识别DNA碱基的序列选择性, 还有易穿透细胞膜的功能［2，3］。最近报道的一些实验表明，聚酰胺成功地抑制了一些基因的转录，尤其是人类免疫缺陷病毒（HIV）基因和一些肿瘤基因的转录，具有特异性基因治疗的潜力。

聚酰胺化学结构及其与DNA的识别。

最初的发现是从抗肿瘤抗生素“偏端霉素”开始的，这是自然界存在的识别DNA的天然小分子，能够与DNA小沟(尤其是AT富集区)结合。受此结构启发, Gottefeld及一些研究者［3—7］合成了一些ImPyPyDp分子(Im=N甲基咪唑；Py= N甲基吡咯；Dp=N,N二甲基丙胺)，合成的两个聚酰胺分子平面相对，与DNA小沟呈反向平行状态，每个聚酰胺分子上的酰胺键分别与相邻的DNA碱基形成氢键，结合在DNA的WGWCW序列上(W可以是A或者T)。他们进一步用一个氨基酸分子作为连接子，将两条反向平行聚酰胺链的C端与N端连接起来，形成了头尾相连发卡状(hairpin) 聚酰胺。这种发卡状聚酰胺与DNA的亲合性比独立的两条聚酰胺链提高了约400倍。几种连接子的对比实验显示,由γ氨基丁酸充当连接子时聚酰胺具有最好的亲合性。进一步研究发现，γ氨基丁酸不仅充当连接子,还具有一定序列选择性 (γ氨基丁酸和β丙氨酸与A·T/T·A的结合性相对G·C/C·G要强200—400倍)。聚酰胺识别DNA的配对规则是：从氨基端到羧基端反向平行成对的Py/Im特异识别C·G碱基对,而Im/Py识别G·C碱基对；反向平行成对的Hp/Py(Hp= N甲基3羟基吡咯)特异识别T·A碱基对, 而Py/Hp识别A·T碱基对。利用这个规则,可以针对某一段已知DNA序列设计出相应的聚酰胺识别分子,然后进行生物活性的测试与分析。聚酰胺识别DNA序列的亲和力和特异性还可以通过化学方法将两个分子连接起来。

本综述由北京大学第一医院朱平教授审校形成串联聚酰胺而得到提高，并且这种串联分子可以识别更长的序列。

不论是无细胞DNA模型，体外细胞培养以及动物实验都证实聚酰胺可以抑制基因转录。设计的聚酰胺与DNA小沟特定序列结合（通常是基因调控区启动子/增强子元件），阻断真核转录因子（或病毒转录因子）与靶序列的结合，从而抑制特定基因的表达［8，9］。

体外无细胞DNA实验。

最初的实验是在无细胞条件下进行的，Gottesfeld等［3］设计了含有8个环的发卡状聚酰胺，从非洲蟾蜍肾脏来源的成纤维细胞分离出染色体，该聚酰胺可以与5SRNA 基因的启动子元件结合，抑制转录因子TFⅢA与此元件结合，阻断RNA聚合酶Ⅲ的转录。

TATA 盒是大多数真核生物基因调控区的核心启动子，与其结合的蛋白TBP是大多数真核生物共用的转录因子。人类免疫缺陷病毒1（HIV1）基因调控区也含有TATA 盒。Ehley等［10］设计了多个聚酰胺分子，分别针对HIV1基因 TATA 盒上游或下游（—55 bp—+1 bp范围内）不同序列，这些聚酰胺都能阻断RNA聚合酶Ⅱ的转录，表明除了TATA 盒外，还存在其他重要的调控元件。

聚酰胺抑制特定基因转录的特点可以用来研究转录因子的相互作用。实验表明，设计识别HIV1增强子/启动子中ETS1元件的聚酰胺阻断转录因子ETS1与DNA大沟结合后，又能阻断NFkB与DNA结合，从而引起HIV1转录抑制［11］。这就提示，在调控HIV1基因表达时NFkB和ETS1存在相互作用，而且这种相互作用非常重要。

聚酰胺还可以抑制某些肿瘤基因的转录。Chiang等［12］发现与人类乳腺癌HER2/neu 基因启动子中ETS元件(5′GAGGAA3′)结合的聚酰胺能阻断转录因子ETS与该元件结合，抑制HER2/neu基因的表达。

人类的拓扑异构酶Ⅱa是某些化疗药物（如依托泊苷）作用的靶点。该酶基因启动子含有5个反向的CCAAT盒（inverted CCAAT box，ICB），即5′ ATTGG3′和互补链3′ TAACC5′。在肿瘤细胞中，核因子Y结合到ICB2可以抑制拓扑异构酶Ⅱa的表达，造成肿瘤细胞对某些化疗药物产生抵抗。人类多药耐药基因1（MDR1）编码的糖蛋白参与肿瘤细胞对多种化疗药物产生耐药的机制。MDR1基因启动子中也含有ICB，核因子Y结合到ICB并不影响糖蛋白的基础表达水平，但是可以上调化疗药物诱导的MDR1基因的转录。

所有的ICBs都是相同的，但是其侧翼却有区别。如果设计合适的聚酰胺分子，干扰核因子Y与启动子ICB的结合，将有可能成为抗肿瘤药物和基因调节药物的一种新方法。

拓扑异构酶Ⅱa启动子ICB2和ICB3的3’侧翼是相似的(5′ATTGGTT3′)，Henry等［13］合成了针对5′TTGGT3′的聚酰胺JH37，凝胶迁移率和DNase I足迹试验表明，JH37优先与ICB2和ICB3结合，并且JH37具有较好的细胞摄取率。MDR1启动子ICB及其侧翼序列：5′ ATTGGCT 3′（下划线处为ICB），Buchmueller等［14］设计了聚酰胺分子ZT65B，靶序列为5′(A/T)GGC(A/T) 3′，该序列也在拓扑异构酶Ⅱa启动子ICB1和ICB5 的3′侧翼出现，分别是ATTGGCT 和ATTGGCA（下划线处为ZT65B靶序列）。ZT65B能够以较高亲和力与MDR1启动子ICB结合，还能与拓扑异构酶Ⅱa启动子ICB1和ICB5结合，但是不能与ICB2、ICB3或ICB4结合。ZT65B和JH37可以作为构建新型聚酰胺分子的原型，特异性结合具有ICB的基因，影响一种或几种蛋白的表达。

体外细胞培养实验。

无细胞条件下的DNA模型实验表明，聚酰胺能够抑制特定基因的转录，继之人们又开始了对细胞培养体系的观察。HIV1增强子/启动子中有多种转录因子(TBP、ETS1和LEF1等)的识别序列，Dickinson等［15］合成了分别与HIV1基因TATA 盒、LEF1元件和ETS1元件侧翼序列匹配和错配的聚酰胺，结果发现匹配的聚酰胺能够抑制转录因子与靶序列结合，进而抑制RNA聚合酶Ⅱ的转录，而错配的聚酰胺没有上述效应；联合应用多个匹配的聚酰胺可以阻断病毒的转录和复制。

某种聚酰胺能够进入人类T细胞白血病病毒1（HTLV1） 感染的T细胞，与细胞核内HTLV1 启动子中富含GC的序列（ CRE元件）结合，抑制病毒蛋白TAX与CRE元件合，从而抑制HTLV1基因转录，减少病毒颗粒的产生［16］。这些结果提示了一种新的抗病毒方法。

Lai等［17］合成了与转化生长因子beta1（TGFβ1）启动子FSE2元件（fatspecific element 2 )侧翼碱基序列（—545 bp至—539 bp）匹配及错配的聚酰胺，凝胶迁移率试验证明匹配的聚酰胺能够与DNA相应序列结合，错配的聚酰胺不能与该序列结合。将匹配的聚酰胺加入人平滑肌细胞培养体系中共同孵育48小时，TGFβ1启动子的活性显著降低，TGFβ1 mRNA和蛋白表达受到抑制。

血管内皮生长因子（VEGF）是肿瘤血管生成的重要促进因子，Olenyuk等［18］设计了聚酰胺分子，它能够与VEGF启动子中低氧应答元件（hypoxia response element，HRE）结合，将其加入到HeLa细胞培养体系中共同孵育48小时后，VEGF mRNA和蛋白的表达水平都明显下降。这种聚酰胺分子有可能成为抗血管生成的新型制剂。

基因表达受多种转录因子调控，其识别序列通常是保守的。利用聚酰胺结合启动子来抑制基因表达则要求靶序列必须唯一，故而通常选取保守序列附近具有基因独特性的侧翼序列。如果设计针对编码区的聚酰胺将更加直接和特异，但是Gottesfeld［19］小组的研究表明，结合到基因编码区的聚酰胺并不能阻止RNA聚合酶的延伸。

Wurtz等［20］和Wang等［21］发现，将聚酰胺和瘤可宁等烷化剂连接成结合物后，识别DNA的序列特异性和亲和力仍然保存，并且能够在基因编码区将识别序列附近的腺嘌呤烷化，烷化效率具有时间依赖性和剂量依赖性。Oyoshi等［22］和Shinohara等［23］小组合成了一种具有乙烯基的聚酰胺烷化剂结合物，以序列特异性方式将基因编码区烷化，成功的抑制了转录。Shinohara小组又设计了两种聚酰胺－烷化剂结合物，细胞转染实验表明，结合物能够引起海鳃（renilla）和荧火虫（flyfire）的荧光素酶基因转录抑制。最近他们又有研究表明，具有吲哚连接子的聚酰胺CBI结合物能够特异性烷化绿色荧光蛋白基因编码区，引起基因沉默［1］。

动物体内实验。

在动物体内进行的实验主要是以果蝇为对象，研究聚酰胺对胚胎发育的影响，针对特定基因的转录抑制实验报道较少。Dickinson等［24］设计的一种聚酰胺－瘤可宁结合物可以作用于组蛋白H4C基因编码区，抑制多种肿瘤细胞系的增殖，并且该结合物在荷瘤小鼠体内同样具有生物活性。Matsuda等［25］以DahlS小鼠为模型，设计了一种针对TGFβ1基因启动子AP1元件的聚酰胺，能明显抑制小鼠肾小球系膜细胞中该基因启动子的活性；荧光素标记的聚酰胺静脉注射小鼠后可分布到肾脏，显著抑制肾脏皮质中TGFβ1 mRNA和蛋白的表达，并且不依赖于血压变化就能减少尿蛋白。这种聚酰胺分子有可能治疗TGFβ1高表达相关的疾病。