Model Systems for Metal - DNA Interactions. With a Focus on Anticancer Active Platinum(II) Complexes.

Abstract

Reactions of trans-dicyanodichloroaurate(III) trans-dibromodicyanoaurate(III), trans-diamminedichlorogold(III), cis-diammine(aqua)chloroplatinum(II), cis-ammineaqua-(cyclohexylamine)chloroplatinum(II), chloro(terpyridine)platinum(II) and chloro-(diethylenetriaminepalldium(II) with dimethyl sulfide, thionucleosides, thionucleotides and thione- and guanine-containing 17-mer oligonucleotides have been investigated by use of conventional and high-pressure stopped-flow spectrophotometry and HPLC technique as a function of ionic strength, pH, temperature and pressure in aqueous solutions. The mechanism and rate of oxidation of dimethyl sulfide by gold(III) complexes depends on the concentration of free halide. High halide concentration leads to reduction of trans-dicyano(dimethylsulfide)halidegold(III) (halide = Cl or Br) through attack by free dimethyl sulfide on co-ordinated halide. Low halide concentration allows formation of trans-dicyanobisdimethylsulfidegold(III), which is reduced intermolecularly with assistance from a water molecule. Oxidation of the thioether is much more rapid at high chloride concentration, suggesting that the extra-cellular environment strongly favours this type of reaction in vivo. The use of DNA containing thiones in the form of 4-thiouridine or 6-thioinosine allowed for evaluation of the specific interaction of this site with metal complexes by UV/Vis detection technique. The nucleophilicity of both thiones was found to be better than that of guanine-N7. The pH dependence for 2.0 < pH < 5.0 was found to be due mainly to changes of the co-ordination environment of the metal centre. Studies of the reaction between monomers and gold(III) complexes revealed that the kinetic influence from a single phosphate group is small, only capable of compensating for the increased steric bulk when reacting with a cationic metal complex. The reactivity of the thione units change after incorporation into a poly d(T) oligonucleotide. The reactivity with anionic Au(III) complexes was decreased, whereas the reactions of cationic complexes of Au(III), Pd(II) and Pt(II) all were found to be accelerated in the DNA environment. The magnitude of rate enhancement was strongly dependent on the ionic strength of the reaction medium. Reactions of the oligomers were found to be most favoured at low ionic strength, with a maximum rate enhancement of a factor of 56 observed at ionic strength = 1.0 mM for the reaction of cis-ammineaqua-(cyclohexylamine)chloroplatinum(II) with a 17-mer poly d(T) oligonucleotide containing a single thiouridine in the middle. Further, for similarly sized oligomers the rate enhancement were found to depend both on the type of binding site and its position along the oligomer. Both these observations suggest an influence from the local surrounding on the kinetics. The obtained series for platination of the middle position: phosphorothioate > thiouridine > thioinosine > G-N7, indicates a dependence on the distance from the phosphate backbone. The reaction profile for the platination of a single G-N7 that is moved along the oligomer suggests an additional influence from electrostatic, polyelectrolyte-like accumulation of cations. Inspection of the activation parameters (enthalpy, entropy, volume) shows that the difference in reactivity between the monomers and oligomers is largely due to contributions from the activation entropies. For the latter type of reactions, the entropy values are substantially more positive, which is interpreted as a result of pre-association of the cationic metal complex onto the oligomer, and concomitant release of monovalent cations such as sodium and potassium from the surface. The similar type of reaction characteristics, here demonstrated for the cations with an inherent reactivity spanning 4 orders of magnitude, suggest a common reaction mechanism for these structural analogs of anticancer active Pt(II) complexes, where preassociation is followed by rapid reorganisation and/or migration of the metal reagent on the surface of the oligomer prior to the rate determining reaction.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Modellsystem för metall-DNA interaktioner Med fokus på anticanceraktiva platina(II) komplex



Guld är ett mytomspunnet och fascinerande ämne som ger liv. Ett påstående som kanske förvånar, eftersom guld ofta förknippas med vackra smycken och rikedom. Att guld skulle ge liv var dock en förhoppning i Kina på 600-talet f. Kr. Där använde man nämligen metalliskt guld för medicinska ändamål, som ett livselixir för att kurera det mesta. Den vetenskapligt grundade medicinska användningen av guld kom dock inte förrän på 1900-talet, då man började behandla inflammatorisk reumatism med auranofin. Guld i denna, eller liknande form, har allt sedan dess använts mot just inflammatorisk reumatism, men någon naturlig biologisk funktion är däremot inte känd. Platina, en nära släkting till guld, uppvisar inte heller någon naturlig biologisk funktion, men väl andra användbara egenskaper. I form av föreningen cisplatin används den sedan 1980 med framgång mot vissa typer av cancer. Den egentliga mekanism för hur cisplatin hämmar celltillväxten är dock inte helt klarlagd. En av de framlagda teorierna är att cisplatin företrädesvis binder till en specifik bassekvens i DNA-molekylen, vilket i sin tur leder till att hela DNA-molekylen böjs. Den här förändringen av DNA-molekylen kan därefter leda till att replikationen förhindras. Trots den intensiva forsknigen på området finns det fortfarande många obesvarade frågor.



Om man vet att platina binder till ett specifikt ställe på DNA, och dessutom antar att inbindningen har betydelse för t. ex. celltillväxten, så kan det ju vara intressant att ställa frågorna: hur och varför? Hur kommer det sig att platina i första hand binder till ett av kvävena på DNA-basen guanin och kan yttre faktorer påverka precisionen och hastigheten med vilket detta sker? För att kunna reda ut vilka faktorer som har störst betydelse för reaktionen, skulle man vilja att platina band till ett specifikt ställe på DNA. Problemet med naturligt DNA är då förekomsten av många inbindningsställen, dels i form av flera guaninenheter, dels i form av kväve på andra baser såsom adenin och cytosin. Med lite finurlighet kan man lösa problemet, nämligen genom att dra nytta av naturens givna förutsättningar när man konstruerar ett modellsystem. Precis som människor uppvisar metaller nämligen en förkärlek för vissa ämnen framför andra. På 1950-talet delade Ahrland och Pearson m. fl. in metallerna i grupper beroende på om det föredrog att bilda föreningar med svavel eller syre. Guld, platina och palladium uppvisade en mjuk kemisk karaktär eftersom de föredrog svavel, medan magnesium och kalcium som föredrog syre hade hård kemisk karaktär. I mina försök har jag ämnat dra nytta av naturens förutsättningar för att kunna studera vilka yttre faktorer som inverkar på reaktionen mellan DNA och metallföreningar. På syntetisk väg, eller ur naturligt förekommande RNA, kan man nämligen framställa baser som innehåller en svavelatom. Dessa har två fördelar i jämförelse med t. ex. guanin. Dels utgör svavelenheten ett mer attraktivt inbindningsställe för guld, platina och palladium, dels besitter de här baserna en förmåga att absorbera ljus som är direkt förknippad med svavelenheten, en egenskap som dessutom förändras när metallen binder till svavlet. Genom att sätta in denna konstgjorda svavelinnehållande bas i ett naturligt DNA-fragment erhåller man ett specifikt inbindningsställe som är lätt att studera med hjälp av en spektrofotometer.



I den föreliggande avhandlingen har jag använt mig av föreningar av de tre metallerna guld, platina och palladium för att studera reaktioner mellan metaller och modeller av DNA och proteiner. Den generella frågeställningen gällde hur dessa reaktioner påverkas av andra ämnen som är närvarande i omgivningen, t. ex. kloridjoner och natriumjoner, samt hur förändringar i förhållandet mellan dessa ämnen inverkar på den observerade reaktiviteten.



I artikel I kunde det konstateras att mängden kloridjoner eller bromidjoner i vattenlösningen var av avgörande betydelse för hur reduktionen av guld(III) till guld(I) med dimetylsulfid fortlöpte. Dimetylsulfid, Me2S, kan här ses som en enkel modell av den naturligt förekommande aminosyran metionin. Undersökningen visade att reduktionen av guld(III) till guld(I) gick betydligt snabbare i närvaro av ett stort överskott av klorid- eller bromidjoner. Dessa resultat visar att reaktionen mellan svavelinnehållande proteiner och guld- eller platinaföreningar i kroppen är av större betydelse i den kloridjonrika blodplasman, än i cellens cytoplasma där kloridjonkoncentationen är låg.



I artiklarna II-V studeras användbarheten av de svavelinnehållande baserna, monomererna, med målet inställt på att enkelt kunna undersöka med vilken hastighet olika metallföreningar binder till ett DNA fragment. När man placerar monomeren i en längre DNA-kedja ökar den observerade inbindningshastigheten för de positivt laddade metallkomplexen (katjonerna), medan den sjunker för de negativt laddade metallföreningarna. Denna iakttagelse kan förklaras om man antar att de positivt laddade jonerna attraheras till den negativt laddade fosfatryggraden, medan negativa joner repelleras. Slutsatsen av de preliminära undersökningarna är att de konstgjorda och modifierade baserna framgångsrikt underlättar och möjliggör studier av t ex. katjonackumulation runt polymeren.



I artikel IV fördjupades studierna av katjonackumulationen kring DNA. Eftersom denna ackumulation kring polymeren sker i proportion till fördelningen mellan de olika positivt laddade jonerna i lösningen, kan andelen reaktivt metallkomplex på polymerytan öka eller minska vid förändringar i omgivningen. Genom att bibehålla koncentrationen av metallkomplexet, medan koncentrationen av de icke reagerande natriumjonerna minskas kraftigt, kan den effektiva koncentrationen av metallkomplexet på ytan av DNA-molekylen öka i jämförelse med den koncentration som finns i den omgivande vattenlösningen. I enlighet med detta resonemang ökade den observerade hastigheten för metallinbindning ca 40 gånger när natriumjonkoncentrationen sänktes från 0.064 M till 0.0010 M. Dessa försök visade dessutom att den relativa hastighetsökningen, dvs. ökningen i hastighet som man åstadkommer t. ex. genom att man infogar monomeren (1 bas) i en oligomer (17 baser), är beroende av var inbindningsstället är placerat i förhållande till fosfatryggraden på DNA-molekylen. Ju längre bort från fosfatryggraden, desto lägre relativ hastighetsökning.



Föreningar av guld och palladium reagerar betydligt snabbare än de närbesläktade och medicinskt intressanta platinaföreningarna gör. I artiklarna III och V kunde aktiveringsentalpin (= ett mått på hur mycket energi som går åt när bindningen bildas) och aktiveringsentropin (= ett mått på hur oordningen förändras under reaktionens gång) bestämmas tack vare den högre reaktiviteten hos guld och palladium. Resultatet från de här mätningarna antyder att metallkomplexets associationen till fosfatryggraden på DNA leder till att ett antal natrium- och kaliumjoner frigörs, vilket därmed ökar oordningen i systemet.



Eftersom avståndet från fosfatryggraden till inbindningsstället är av betydelse för den relativa hastighetsökningen, kan man då fråga sig om avståndet till ändarna på polymeren också är av vikt? I artikel VI undersöktes detta genom en successiv förflyttning av det specifika inbindningsstället från 5'- till 3'-änden. Det visade sig att hastigheten är betydligt högre i mitten av polymeren. För första gången kunde vi alltså visa att en kort polymer (17 baser) uppvisar elektrostatiska egenskaper som påminner om egenskaperna hos en oändligt lång polymer.



Sammanfattningsvis kan det sägas att syftet här har varit att utnyttja naturens givna förutsättningar till gagn för våra försök, vilket därmed gav ökad kunskap om interaktioner mellan metallföreningar och DNA. Genom att använda ett specifikt svavel som målenhet i DNA-molekylen, istället för ett antal likartade kväven utspridda över polymeren, underlättades utvärderingen av resultaten avsevärt. Genom att komplettera undersökningarna av platinaföreningarnas reaktivitet gentemot DNA med de betydligt mer reaktiva, men ändå närbesläktade palladium- och guldföreningarna, ökade bredden på det experimentella underlaget. De likartade slutsatserna som utkristalliserar sig från undersökningarna med de tre metallkomplexen understryker dels att yttre faktorer påverkar reaktionerna mellan metallföreningar och DNA, dels att det rör sig om generella effekter som kan ha betydelse även för andra metaller.

• author: Ericson, Anna
• supervisor: Sofi Elmroth; Lars Ivar Elding
• opponent: Docent Arpalahti, Jorma, University of Turku, Finland
• organization: Department of Chemistry
• publishing date: 1997
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Inorganic Chemistry
• keywords: kinetics, DNA, poly d(T), guanine, 6-thioinosine-5'-monophosphate, 6-thio-2'-deoxyinosine, 4-thiouridine-5'-monophosphate, 4-thio-2'-deoxyuridine, palladium(II), Gold(III), platinum(II), mechanism, salt effect, activation parameters, Inorganic chemistry, Oorganisk kemi
• pages: 200 pages
• defense location: lecturehall E, Kemicentrum, Lund
• defense date: 1997-12-19 13:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUN KDL/NKOO--97/1030/--SE
• ISBN: 91-628-2811-8
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Inorganic chemistry (ceased) (LUR000010)
• id: 33dd8ddb-756d-4278-85b1-b25da28d52ce (old id 29723)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:08:23
• date last changed: 2018-11-21 21:02:54