簡(jiǎn)易合成天然修飾核苷2′-脫氧古鳥苷

匡 爽,彭 靜,田 佳,吳明智,明 新

(成都醫(yī)學(xué)院藥學(xué)院,四川 成都 610500)

0 引言

天然修飾DNA不像天然修飾RNA那樣化學(xué)種類繁多、普遍存在.到目前為止，已發(fā)現(xiàn)的天然修飾DNA約有十幾種[1-2].在細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)的硫代磷酸酯修飾的DNA骨架在不同的生物體中發(fā)揮著不同的功能[3-6].這些修飾的DNA似乎有特殊的標(biāo)記，以避免被自身的酶系統(tǒng)降解，并可以在調(diào)節(jié)基因表達(dá)(如熱穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)等)方面發(fā)揮關(guān)鍵作用[7].L.M. Iyer等[8]通過計(jì)算機(jī)預(yù)測(cè)，提出在細(xì)菌和噬菌體中有十幾種新型DNA修飾系統(tǒng),這表明DNA修飾的潛在多樣性和復(fù)雜性還有待檢測(cè).7-脫氮嘌呤(7-deazapurine)作為微生物的代謝物天然存在于自然界中[9],由于其廣泛的生物活性而受到人們的關(guān)注[10].如7-脫氮-2′-脫氧鳥苷和7-脫氮-2′-脫氧腺苷是有效的端粒酶抑制劑[11],它們能被DNA聚合酶識(shí)別而鏈入DNA中，并被用于DNA測(cè)序[12-14].由于7-脫氮嘌呤與天然嘌呤結(jié)構(gòu)相似，所以它們可與嘧啶形成穩(wěn)定的堿基對(duì)[15].7-氰基-7-脫氮-2′-脫氧鳥苷(dPreQ0)和7-氨基-7-脫氮-2′-脫氧鳥苷(dADG)首次在腸道沙門氏菌血清蒙得維的亞的DNA酶水解產(chǎn)物中被發(fā)現(xiàn)[16],最近又分別在噬菌體和細(xì)菌DNA中被發(fā)現(xiàn)[17].PreQ0是由GTP經(jīng)合成酶(FolE、QueD、QueE和QueC)合成后再進(jìn)行轉(zhuǎn)糖基化得到的，而dG+是由PreQ0在酶作用下轉(zhuǎn)化而來的.本文用化學(xué)方法制備天然修飾的7-甲脒基-7-脫氮-2′-脫氧鳥苷(2′-脫氧古鳥苷,dG+),以進(jìn)一步研究這些修飾核苷在生物合成過程中以及在DNA和RNA之間的作用.優(yōu)化了dG+關(guān)鍵前體dPreQ0的合成,報(bào)道了dG+的化學(xué)合成,并通過核磁共振和HR-MS證實(shí)了其結(jié)構(gòu)(見圖1).天然修飾DNA的合成將為生物技術(shù)的發(fā)展和新型抗菌劑的開發(fā)提供支持.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

實(shí)驗(yàn)所用儀器有:核磁共振波譜儀,Avance 400型(DMSO為溶劑,TMS為內(nèi)標(biāo)),瑞士布魯克公司;Agilent 6230B液質(zhì)聯(lián)用儀,安捷倫科技(中國(guó))有限公司.實(shí)驗(yàn)所用試劑均為市售分析純.

1.2 合成方法

1.2.1 關(guān)鍵中間體dPreQ0(3)的合成 4-氯-5-碘-2-特戊酰氨基-7H-吡咯并[2,3-d]嘧啶(3)的合成:將5.00 g(29.66 mmol)2-氨基-4-氯吡咯并[2,3-d]嘧啶(1)溶解在100 mL吡啶中,在冰浴冷卻下緩慢滴加10.70 g(88.98 mmol)特戊酰氯，并使混合物在室溫下反應(yīng)12 h.待反應(yīng)結(jié)束后,在冰浴冷卻下向反應(yīng)體系中添加250 mL飽和NaHCO3水溶液,并攪拌30 min.然后將混合物用二氯甲烷(60 mL×3)萃取，合并有機(jī)部分,用鹽水洗滌并用無水Na2SO4干燥.真空濃縮有機(jī)部分，得到化合物2,為黃色粉末.再將5.96 g(26.67 mmol)N-碘琥珀酰亞胺(NIS)加入攪拌的化合物2(6.11 g,25.71 mmol)的二氯甲烷(80 mL)溶液中,并在室溫下反應(yīng)3 h.待反應(yīng)完成后，將混合物用1 mol·L-1的H2SO3洗滌至無色.將有機(jī)部分濃縮至干，殘余物用乙醇重結(jié)晶即得黃色粉末狀的化合物3(7.97 g,產(chǎn)率70.98%,2步).Rf=0.80(V(CH2Cl2)∶V(MeOH)=20∶1);1H NMR(400 MHz,DMSO-d6):12.73(s,1H,NH),10.14(s,1H,CONH),7.79(s,1H,6H),1.24(s,9H,3CH3).該數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[18]相同.HR-MS:378.982 3([M+H]+,C11H13ClN4O+;cald 378.981 7).

圖1 dG+和dPreQ0的化學(xué)結(jié)構(gòu)

圖2 dG+1H-NMR譜圖

圖3 dG+13C-NMR譜圖

圖4 dG+ MS譜圖

2 結(jié)果與討論

dPreQ0是2′-脫氧古鳥苷的關(guān)鍵中間體,dPreQ0的合成最早由文獻(xiàn)[20]報(bào)道,以2-氨基-4-氯吡咯并[2,3-d]嘧啶為底物(1),合成路線如圖5所示[21].每個(gè)化合物都用柱色譜法純化，耗費(fèi)了大量的時(shí)間和溶劑.因此，本文對(duì)dPreQ0及其中間體的合成進(jìn)行了優(yōu)化.

根據(jù)文獻(xiàn)[20]報(bào)道,化合物3由2-氨基-4-氯-吡咯并[2,3-d]嘧啶先經(jīng)特戊酰氯?；俳?jīng)N-碘代琥珀酰亞胺碘化得到，2步反應(yīng)均采用硅膠柱分離純化.由于碘代物溶解性差，用色譜法純化會(huì)消耗大量溶劑，因此本文采用工業(yè)上最常用的萃取和重結(jié)晶方法來分離純化.在酰化反應(yīng)完成后用二氯甲烷萃取，有機(jī)相經(jīng)蒸干后直接用于碘代反應(yīng),避免了過柱純化.在碘代反應(yīng)完成后用稀亞硫酸鈉水溶液淬滅剩余的NIS，用甲醇重結(jié)晶，2步的產(chǎn)率為60.8%.若改用乙醇重結(jié)晶,則產(chǎn)率為70.9%，文獻(xiàn)[21]的產(chǎn)率為71.4%(化合物2的產(chǎn)率為84.0%，化合物3的產(chǎn)率為85.0%).本文通過萃取和乙醇重結(jié)晶得到目標(biāo)產(chǎn)物，該純化方法減少了有機(jī)溶劑的使用和時(shí)間的消耗.

7-碘-2′-脫氧-7-脫氮鳥苷(6)是dPreQ0的前體.化合物6的合成路線(見圖6)主要有2條:(i)將化合物4與甲醇鈉進(jìn)行親核取代反應(yīng)，然后再與2 mol·L-1的NaOH進(jìn)行反應(yīng)[22];(ii)用Cs2CO3、三乙二胺(TED)和Et3N將化合物4的4位氯基變成羰基，然后在強(qiáng)堿條件下除去保護(hù)基[23].與路線(i)相比，路線(ii)所需試劑昂貴且合成時(shí)間更長(zhǎng),因此,本文采用合成路線(i)制備化合物6.將4-氯-5-碘-2-特戊?；被?7H-吡咯并[2,3-d]嘧啶(3)與1-氯-3,5-二-(對(duì)-甲苯氧基)-2-脫氧核糖進(jìn)行糖基化，得到β-D-核苷(4),將化合物4在0.03 mol·L-1的甲醇鈉中回流制備化合物5.對(duì)于這些化合物，在文獻(xiàn)[22]中每步都通過硅膠柱色譜法純化.本文實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)將糖苷化反應(yīng)混合物pH值調(diào)節(jié)為7，并用二氯甲烷萃取可以得到粗產(chǎn)物4.它可以直接用于合成化合物5，并且化合物5可以用乙酸乙酯從反應(yīng)液中萃取出來，直接用于化合物6的制備.由于化合物6的極性較高，用硅膠柱分離會(huì)消耗大量溶劑,所以本文選擇用樹脂AB-8代替硅膠色譜，以純水和乙醇為流動(dòng)相.

注:試劑和條件為(a)PivCl,Py,0 ℃,12 h;(b)NIS,DCM,r.t.,3 h;(c)NaH,MeCN,r.t.,2 h;(d)NaOMe,MeOH,reflex,3 h;(e)2 mol·L-1 NaOH,reflux,2 h;(f)CuCN,Py,120 ℃,7 h.

圖6 7-碘-2′-脫氧-7-脫氮鳥苷的合成路線

在合成化合物dPreQ0時(shí)，考慮到氰化亞銅的毒性及其對(duì)環(huán)境的污染，決定減少它的用量，設(shè)置不同當(dāng)量進(jìn)行反應(yīng).實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):將氰化亞銅的當(dāng)量從7降低到5可以基本保持產(chǎn)率不變，合理減少了氰化亞銅的用量(見圖7).

為了將氰基轉(zhuǎn)變?yōu)榧纂呋苽?′-脫氧古鳥苷，首先想到Pinner反應(yīng).文獻(xiàn)[24]用該反應(yīng)制備古鳥苷，得到古鳥苷和三乙胺醋酸(2∶1)的混合物，產(chǎn)率為30%.經(jīng)典的Pinner反應(yīng)是在HCl氣體催化下，腈基首先醇解得到亞胺酸酯中間體,然后氨解得到產(chǎn)物.但通HCl氣體，操作方法煩瑣，并對(duì)設(shè)備會(huì)造成很大的腐蝕.因此，筆者嘗試用甲醇鈉作堿來催化制備亞胺酸酯中間體.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)用堿催化反應(yīng)條件雖然溫和，但是原料在室溫下4 d也不能反應(yīng)完全.因此，對(duì)通HCl氣體催化的方法進(jìn)行了優(yōu)化,其過程如下:在冰浴冷卻下，將乙酰氯滴加至甲醇中產(chǎn)生HCl催化氰基轉(zhuǎn)化為亞胺酸甲酯，然后該中間體在3.5 mol·L-1氨甲醇中反應(yīng)過夜，在反應(yīng)結(jié)束后，揮去氨氣，2′-脫氧古鳥苷直接從甲醇中析出得到目標(biāo)化合物2′-脫氧古鳥苷，產(chǎn)率為92.59%.合成路線如圖8所示.

3 結(jié)論

本文用簡(jiǎn)單有效的方法成功合成了天然核苷dG+，并對(duì)關(guān)鍵中間體dPreQ0的合成工藝進(jìn)行了優(yōu)化.以2-氨基-4-氯吡咯并[2,3-d]嘧啶為起始物，經(jīng)7個(gè)步驟合成dG+的總產(chǎn)率為33%,并以更環(huán)保的方式獲得了中間體.dPreQ0和dG+的合成為天然修飾DNA的合成提供了一條有價(jià)值的途徑.

圖7 氰化亞銅當(dāng)量對(duì)dPreQ0產(chǎn)率的影響

注:試劑和條件為(a)AcCl,MeOH,r.t.,6 h;3.5 mol·L-1 NH3/MeOH,r.t.,overnight.