Crystallographic studies on Echinomycin bisintercalation on DNA and an alternating D-alanyl,L-homoalanyl PNA.

Abstract

Zusammenfassung1 Strukturen von Echinomycin im Komplex mit doppelstraendiger DNA Die Strukturen der Komplexe zwischen dem Antibiotikum Echinomycin und verschiedenen kurzen DNA Duplexen wurden mit Hilfe von Einkristall-Roentgenstrukturmethoden untersucht. Echinomycin ist ein DNA Bisinterkalator, der Anwendung als Mittel gegen Krebs findet. Die Strukturen seiner Komplexe mit Duplex-DNA mit den Sequenzen (GCGTACGC)_2, (ACGTACGT)_2 und (CGTACG)_2 wurden mittels molekularem Ersatz geloest, wobei die Struktur eines Triostin A Komplex als Anfangsmodell diente. Alle drei Komplexe enthalten zwei Echinomycin-Molekuele, die um beide CG-Schritte der DNA bisinterkalieren. Fuer den Komplex mit CGTACG wurde eine Zweideutigkeit in der Zuweisung der Raumgruppe entdeckt. Mit allen drei DNA-Duplexen hatten die Strukturen der Komplexe grosse Aehnlichkeit mit den urspruenglichen Triostin A Komplexen. Im Besonderen liegen die DNA-Basenpaare direkt an der Bisinterkalationsstelle, in einer Hoogsteen Konfiguration vor, bei der die Purine in eine syn-Konformation rotiert sind. Im Gegensatz zu den Triostin A Komplexen wurden gewoehnliche Wasserstoffbrueckenbindungen zwischen den Alaninen des Echinomycin und beiden Guaninen innerhalb der Bisinterkalationsstelle festgestellt. Zum ersten Mal wurde die Moeglichkeit beobachtet, dass Echinomycin DNA in zwei unterschiedlichen Orientierungen bindet. Eine weitere Kristallform wurde mit dem Komplex zwischen Echinomycin und (ACGTACGT)_2 gezuechtet, dessen Struktur mithilfe von anomaler Dispersion bei einer Wellenlaenge (SAD) geloest wurde. In dieser Kristallform liegen einige der A-T Basenpaare ausserhalb der Bisinterkalationsstelle als Standard-Watson-Crick-Paare vor, womit sie die erste experimentelle dreidimensionale Struktur dieser Art von Wechselwirkung ist. Andere Basenpaare ausserhalb der Bisinterkalationsstelle liegen im Hoogsteen Basenpaarungsmodus vor, wodurch sie die Flexibilitaet dieser Wechselwirkung darstellen.2 Kristallstruktur einer alternierenden D-Alanyl-L-homoalanyl PNA PNAs sind DNA Analoga, die bedeutsam in der Therapie und als DNA-Modell sind. Man versucht sie als Geruest fuer die funktionsorientierte chemische Synthese von Enzymanaloga zu nutzen. Die Strukturen mehrerer Alanyl-PNAs wurden mit kristallographischen Methoden untersucht. Streuende Kristalle von reinen Alanyl-PNAs konnten nicht gezuechtet werden. Erfolgreiche Kristallisierungsversuche konnten dagegen mit einer alternierenden D-Alanyl,L-homoalanyl PNA mit sechs eingebauten Nukleobasen der Sequenz GGCGCC durchgefuehrt werden. Dies ermoeglichte es dieser PNA, antiparallele Duplexe mit sich selbst zu bilden. Die Struktur des Kristalles wurde mit direkten Methoden geloest. Es zeigte sich, dass sich die Monomere in einem Zickzack-Pfad mit intramolekularen Wasserstoffbrueckenbindungen falten, so dass vier Nukleobasen auf einer Seite des Rueckgrates liegen und zwei auf der anderen. Vier dieser Monomere fuegen sich in einer Tetramer-Struktur zusammen, die durch Watson-Crick-Paarungen zusammengehalten wird. Obwohl die Struktur anders als die urspruenglich erwartete aussieht, sieht es dennoch so aus, als seien keine groesseren Modifikationen notwendig, um die angestrebte Funktionalitaet zu erhalten.