G-Quadruplex-DNA DOI: 10.1002/ange.200903685 Guanidinium-modifizierte Phthalocyanine als Fluoreszenzsonden mit hoher G-Quadruplex-Affinität und als Transkriptionsregulatoren** Jawad Alzeer, Balayeshwanth R. Vummidi, Phillipe J. C. Roth und Nathan W. Luedtke* G-Quadruplexstrukturen gehören zu den interessantesten und bestcharakterisierten DNA-Faltungsmotiven. [1] DNA- Sequenzen, die in vitro stabile G-Quadruplexmotive bilden können, wurden mit einer Vielzahl an In-vivo-Funktionen in Verbindung gebracht, unter anderem mit der Regulation der Telomerenstabilität, [2] der Regulation von Promotoren [3] sowie der viralen Integration und Rekombination. [4] Viele Gruppen haben kleine Moleküle als Liganden für die G- Quadruplexstruktur entwickelt, die durch Unterbinden der Telomeren- und/oder Promotorenaktivität das Wachstum von Krebs blockieren sollen. [5] Nur ein paar Gruppen haben G- Quadruplex-Liganden mit nützlichen Fluoreszenzeigen- schaften beschrieben. [6] Trotz des bemerkenswerten Fort- schritts in diesem Bereich blieben G-Quadruplex-Liganden mit einer wirklich hohen Affinität (K d  2nm) und Spezifität (> 5000fach niedrigere Affinität zu doppelsträngiger DNA) rar. [5, 6] Eine derart starke und selektive Bindung an G-Qua- druplexe könnte jedoch notwendig sein, damit die entspre- chenden Liganden erfolgreich mit zellulären Proteinen, die G-reiche DNA und RNA mit K d -Werten im mittleren pm- Bereich binden, konkurrieren können. [7] Wir sind an G-Quadruplex-Liganden interessiert, die neben einer hohen Affinität noch eine duale Funktion zeigen : Sie sollten sowohl „Einschalt“-Photolumineszenz bei der Bindung an die Ziel-DNA zeigen als auch die Genexpression regulieren können. [3, 6] Diese voneinander unabhängigen Funktionen könnten genutzt werden, um mögliche Zusam- menhänge zwischen G-Quadruplexstrukturen und ihren Funktionen in vivo zu untersuchen. Unsere Herangehens- weise ist der Entwurf, die Synthese und die Evaluierung einer neuen Familie von Porphyrazinderivaten, bei der die DNA- Spezifität, die Aufnahme in Zellen und die photophysikali- schen Eigenschaften des Phthalocyaningerüsts durch gleich- zeitige Variation von Metallzentrum und Guanidiniumgrup- pen reguliert werden können. Strukturselektive G-Quadruplex-Liganden zeigen oft eine ausgeprägte strukturelle und elektronische Komple- mentarität zu den gestapelten G-Tetraden der G-Quadru- plex-DNAs. [5] So ist die G-Quadruplex-Spezifität von pyridi- nium- und ammoniumhaltigen Porphyrazinderivaten deutlich höher als die des breit untersuchten, allerdings unselektiven Liganden 5,10,15,20-Tetrakis(N-methyl-4-pyridyl)porphin (TMPyP4). [8, 9] Sie binden mit mäßiger Affinität an G-Qua- druplex-DNA (K d -Werte im Bereich 100–200 nm), doch wurde nichts bezüglich ihrer Aufnahme in Zellen, ihrer Lu- mineszenz oder der Regulation der Transkription durch sie berichtet. [8] Unser primäres Interesse gilt kationischen Phthalocyani- nen mit Guanidiniumgruppen, da guanidiniumhaltige Mole- küle besser in Zellen aufgenommen werden und eine höhere RNA/DNA-Affinität aufweisen als die analogen ammonium- haltigen Verbindungen. [10] Daher synthetisierten wir eine kleine Familie von Guanidiniophthalocyaninen (GPcs), indem wir ein Tetraaminozinkphthalocyanin 2 bei 120 8C in einer ionischen Flüssigkeit (Pyridin/Pyridinhydrochlorid) mit verschiedenen Carbodiimiden behandelten (Schema 1). [11] Unter diesen Bedingungen wurde das Zink sowohl aus dem Edukt als auch den Produkten entfernt, wodurch die metall- freien GPcs 3–5 erhalten wurden (Schema 1). Diese Reaktion eröffnet einen neuen Zugang zu metallfreien Phthalocyani- nen. [11] Wir waren jedoch an den zinkhaltigen GPcs interes- siert, da über lumineszierende zinkhaltige Phthalocyanine mit guter Aufnahme in Zellen berichtet worden war. [12] Die me- tallfreien GPcs 3–5 wurden deshalb zusammen mit Zink- chlorid erhitzt, was die entsprechenden Guanidiniozink- phthalocyanine 6–8 lieferte (Schema 1). Diese Produkte wurden mittels 1 H-NMR-Spektroskopie, hochauflösender Massenspektrometrie und analytischer HPLC charakteri- siert. [13] Die Verbindungen 6–8 wurden als reine Regioiso- mere isoliert, was in Einklang mit einem früheren Bericht ist, nach dem die Cyclotetramerisierung von 1 an einem Zink- templat regioselektiv verläuft. [14, 15] Unerwarteterweise waren nur das Tetrakis(diisopropylguanidinio)zinkphthalocyanin „Zn-DIGP“ (7) und sein metallfreies Analogon 4 gut was- serlöslich. Daher wurden nur diese beiden Verbindungen weiter untersucht. Um die G-Quadruplex-Affinität von Zn-DIGP (7) zu testen, nutzten wir zwei direkte und komplementäre fluo- reszenzbasierte Methoden mit einer DNA, die von der re- petitiven menschlichen Telomersequenz („Htelo“) oder vom onkogenen c-Myc-Promotor („c-Myc“) abgeleitet war. [16] Um die Spezifität der Interaktionen zu ergründen, untersuchten wir auch eine nichtgefaltete Variante von Htelo („Htelo- Mut“) sowie die C-reichen Komplementärsequenzen von c- Myc („c-Myc-C“) und Htelo („Htelo-C“), die i-Motive bilden können. [17] [*] Dr. J. Alzeer, B. R. Vummidi, P. J. C. Roth, Prof. Dr. N. W. Luedtke Institut für Organische Chemie, Universität Zürich Winterthurerstrasse 190, 8057 Zürich (Schweiz) Fax: (+ 41) 446-356-891 E-Mail: luedtke@oci.uzh.ch [**] Diese Arbeit wurde durch den Schweizerischen Nationalfonds (Förder-Nr. 116868), die Dr. Helmut Legerlotz-Stiftung und die Universität Zürich unterstützt. Wir danken dem Zentrum für Mi- kroskopie der Universität Zürich, dem Institut für Molekulare Krebsforschung sowie Giulio Fiaschetti und Prof. Alexandre Arcaro vom Kinderspital Zürich für die technische Unterstützung. Hintergrundinformationen zu diesem Beitrag sind im WWW unter http://dx.doi.org/10.1002/ange.200903685 zu finden. Zuschriften 9526  2009 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim Angew. Chem. 2009, 121, 9526 –9529