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竹红菌乙素及其溴代物对DNA结构光敏损伤的Raman光谱



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(1997-11-25收稿 , 1998-01-19收修改稿)
竹红菌乙素及其溴代物对 DNA结构
光敏损伤的 Raman光谱
赵红霞 许以明* 张志义
(中国科学院生物物理研究所 ,北京 100101.*联系人)
摘要 利用 Raman光谱技术从分子水平研究了 HB 及 5-Br-HB 对小牛胸腺 DNA 空间结构微观光敏损伤的特
征.实验结果表明 ,小牛胸腺 DNA在加入HB及 5-Br-HB合并光照后 , Raman特征频率与强度均发生了不同程
度的变化.证明了两类光敏剂对 DNA的损伤是整个 DNA 分子 ,包括骨架磷酸基团 、脱氧核糖及碱基.不仅是
DNA的构象 ,而且其构型也发生了变化:氢键断裂 , B 型构象消失 , DNA单 、双链断裂, 碱基也受到了严重损伤 ,
其中 A-T碱基对所受的损伤较 C-G碱基对严重 , DNA变成了多核苷酸.5-Br-HB 对 DNA的损伤较 HB 更为严
重, 证明了 5-Br-HB在生物活性物质环境中优良的光敏特性 ,同时也阐明了 5-Br-HB 及 HB 对 DNA光敏损伤的
分子机理.
关键词 竹红菌乙素(HB) 5-溴代-竹红菌乙素(5-Br-HB) 小牛胸腺 DNA 光敏损伤 Raman光谱
竹红菌素是我国特有的一类高效光疗药物 ,包括竹红菌甲素(HA)和竹红菌乙素(HB),
近年来 ,为了进一步提高其光敏特性 , 人们合成了一些性能更优良的竹红菌素衍生物 , 5-Br-
HB即为其中的一种.与 HB相比 , 5-Br-HB的最大吸收波长红移 ,消光系数较高[ 1] , 而且在非
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研究简报
图 1 小牛胸腺 DNA 的 Raman 光谱图(500~ 1 750 cm-1)
均相体系中 , 5-Br-HB的1O2和·OH的产额显著高于 HB[ 2] .实验表明 , 在对 Hela细胞进行光
敏损伤时 , 5-Br-HB的效果好于 HB , 而且核膜及核形态均受到明显的损伤[ 3] .最近几年 ,用
Raman光谱从分子水平研究光敏剂对DNA的损伤已取得一定的进展[ 4] , 然而 HB和5-Br-HB
对DNA损伤的分子机理仍知之甚少 , 因此在分子水平研究 5-Br-HB及 HB对 DNA结构的损
伤将有助于阐明 5-Br-HB及 HB对细胞损伤的作用机理 , 也将有助于筛选高效的光疗药物.
本文利用 Raman光谱技术研究了 5-Br-HB 及 HB对 DNA 空间结构微观光敏损伤的特
征 , 得到了包括磷酸骨架 、脱氧核糖 、碱基在内的 DNA结构变化情况.同时也就 5-Br-HB及
HB对 DNA光敏损伤的作用机理进行了探讨.
1 材料与方法
  (ⅰ)材料. 小牛胸腺 DNA为美国 Sigma公司产品 ,溶于 pH=7.0的由 0.01 mol/L 的
二甲砷酸钠和 0.001 mol/L EDTA 配制而成的缓冲液中.天然小牛胸腺 DNA的浓度为 4%,
竹红菌乙素 HB按文献[ 5] 方法制备 , 5-Br-HB 是中国科学院感光化学研究所刘卫首先合成
的 ,按文献[ 1]的方法制备.将HB及 5-Br-HB配成 2 mmol/ L二甲基亚砜溶液备用 ,并用上述
缓冲液稀释至0.2 μmol/L , 它们在 DNA 中的终浓度为 0.1 μmol/L.二甲基亚砜(Dimethyl
Sulfo xide)为德国 Merck 公司产品 , 其
他为国产优级纯或分析纯试剂.
(ⅱ)方法. 将样品置于 3 mm 内
径的石英管 ,全部的 Raman 光谱测定
工作在 JY-T800 Raman光谱仪上完成.
采用美国Spect ra-Physics公司的164型
氩离子激光器作光源 , 由美国的 NIC-
1180小型计算机进行谱仪自动控制与
数据处理.实验条件如下:激发线波
长514.5 nm ,功率 200 mW , 3 个单色
器的 4 个狭缝宽度分别为 600 , 700 ,
700 , 600 μm , 扫 描 范 围 500 ~
1 750 cm-1 , 扫描速度 1.2 cm-1/ s , 光
子计数 ,时间常数 1 s , 信号平均 4次 ,
室温(18±2)℃, 实验重复 3次.在本实
验中 , 5-Br-HB 及 HB 对 DNA 光敏损
伤所用的光源也是氩离子激光器 ,激发
线波长为 514.5 nm.
2 实验结果
  天然的和加 HB及5-Br-HB合并光
照后的小牛胸腺 DNA 的 Raman 光谱
分别如图 1 ~ 3所示 , 在图 2和图 3 中
没有 HB , 5-Br-HB 及二甲基亚砜的谱
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第43卷 第 9期 科 学 通 报 1998年 5月
研究简报
线.有关的特征频率与指定[ 4]列于表 1.
图 2 竹红菌乙素(HB)光敏损伤后的小牛胸腺 DNA 的
Raman 光谱图(500 ~ 1 750 cm-1)
2.1  HB 及 5-Br-HB 对小牛胸腺
DNA构象及构型的光敏损伤
光敏作用所致的生物学终点 ,如
细胞的增殖死亡 、染色体畸变和突变
无不与 DNA 分子的链断裂相联系 ,
DNA单 、双链断裂是光敏作用引起的
致死性损伤.脱氧核糖和磷酸骨架 ,
特别是磷酸二酯键的损伤是造成
DNA链断裂的主要原因.在本实验条
件下 , 比较图 1 ~ 3可以看出 , 在加入
HB及 5-Br-HB并且光照后 ,各谱线的
位置及强度均发生了明显的变化.加
入HB及光照后属于小牛胸腺双螺旋
DNA 的 B型构象在 835 cm-1的谱线
消失 , 表明 B型构象被完全破坏.属
于磷酸二酯 PO2 对称伸张振动的位于
787 cm
-1的谱线变成了以803 cm-1为
中心的一个宽峰 ,它可能包括多个多
图 3 5-溴代-竹红菌乙素(5-Br-HB)光敏损伤后的小牛胸
腺 DNA 的 Raman光谱图(500~ 1 750 cm-1)
核苷酸的磷酸二酯 PO2 对称伸张振
动 , 该谱线对 DNA 构象的变化是很
敏感的[ 6 , 7] ;在 1 094 cm-1的强峰被
指定为 PO-2 对称伸张振动 ,该谱线对
DNA构象的变化是不敏感的[ 6] , 只有
在 DNA 构型发生变化时 , 该谱线才
会有所变化.在 HB 光敏损伤后它变
成了由 1 099 , 1 088 , 和 1 076 cm -1
组成的一组属于多核苷酸 PO-2 对称
伸张振动的小峰[ 7] , 实验证明 , 如果
有序的双螺旋 DNA 变成无序的单链
DNA ,则位于 787 cm-1的单峰将位移
到 795 cm-1 , B型构象消失 , 但谱线
1 094 cm-1却很少变化[ 6 , 7] .由此看
来 , 小牛胸腺 DNA 在加入 HB 光照
后 , B 型构象消失 , DNA 单 、双链均
发生断裂 , 出现了各种各样的由于
DNA链断裂产生的多核苷酸 , 图 2与多核苷酸的图谱有明显的相似之处 , 特别是它的磷酸骨
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表 1 HB和 5-Br-HB 对小牛胸腺 DNA 光敏损伤的 Raman 光谱频率和指定(500 ~ 1 750 cm-1)
DNA
频率/ cm-1
DNA *a) DNA **a)
指定*b) DNA 频率/ cm
-1
DNA *a) DNA **a)
指定*b)
 671  657  658 T 1 210 1 201 1 201 T
 684  681  683 G 1 222 1 219 1 213 A
 732  739  731 A 1 240 - - T
 752  753  755 T 1 255 1 248 1 256 C , A
 787 以 803为中心的宽峰  793 O —P—O 对称伸张 1 301 1 297 1 292 A
 835 - - B型构象 1 325 1 317 - G
 934  939 - 脱氧核糖 1 337 1 342 1 348 A
1 000  997  992 脱氧核糖 1 378 1 380 1 389 T , A , G
1 017 1 025 1 016 C—O伸张 1 419 1 426 1 415 A , G
1 056 1 042 1 055 C—O伸张 1 441 1 441 - 脱氧核糖
1 094 1 076 O …—P …—O 对称伸张 1 462 1 466 1 471 脱氧核糖
1 088 O …—P …—O 对称伸张 1 490 1 485 1 495 G , A
1 099 1 105 O …—P …—O 对称伸张 1 520 1 513 - A
1 125 1 123 1 129 1 534 1 540 1 546 G , C
1 143 1 152 1 153 脱氧核糖-磷酸 1 581 1 578 1 580 G , A
1 185 1 179 1 189 碱基外 C—N伸张 1 662 1 656 1 655 C —O伸张
  a)DNA*和DNA **分别表示加入HB和 5_Br_HB光照后的 DNA;b)A , G , C , T 分别代表腺嘌呤 、鸟嘌呤 、胞嘧啶和胸
腺嘧啶的振动特征 ,在表中按照它们对该谱线的贡献大小排列
架PO-2 的谱线.其强度比在 DNA 中的同类谱线低得多[ 6~ 8] .在加入 5-Br-HB 合并光照以
后 , 属于 B 型构象的在 835 cm -1的谱线消失 , 指定为 PO-2 对称伸张振动的谱线从 1 094
cm
-1位移到 1 105 cm-1 , 谱线强度急剧下降 , 属于磷酸二酯 PO2 对称伸张振动的在 787
cm-1的谱线位移到 793 cm-1 , 说明 DNA 的B型构象消失 , 构型也发生了变化 , 其单 、双链断
裂 , 变成了多核苷酸 , 图 3与多核苷酸的图谱也有明显的相似之处[ 6~ 8] .但 HB 和 5-Br-HB
对小牛胸腺DNA的损伤有所不同 , 现分别叙述如下.为了叙述简便 , 我们在波数后面用(HB)
或(5-Br-HB)分别表明属于图 2或图 3的谱线.
2.2 HB及 5-Br-HB对脱氧核糖的光敏损伤
HB和 5-Br-HB对该 DNA光敏损伤后 ,其脱氧核糖的谱线强度显著下降 , 位置也有明显
的变化.属于脱氧核糖在 1 000 cm-1和 1 462 cm-1的谱线加入光敏剂合并光照后分别移到了
997 , 1 466 cm-1(HB)和 992 , 1 471 cm-1(5-Br-HB), 在 934 cm-1的谱线在图 2中移到了
939 cm-1 , 在图 3中消失 , 在 1 441 cm-1的谱线在图 2中虽然位置没变 ,但强度明显下降 ,该
谱线在图 3中消失.属于脱氧核糖磷酸的谱线从 1 143 cm-1移到了 1 152 cm-1(HB)和 1 153
cm
-1(5-Br-HB), 属于脱氧核糖C —O伸张振动的谱线在1 017 cm-1和 1 056 cm-1 , 分别移到
了1 025 ,1 042 cm -1(HB)和 1 016 ,1 055 cm-1 , 以上现象均表明HB和 5-Br-HB对 DNA脱氧
核糖的光敏损伤是明显的 , 后者谱线的位移较前者大(在1 017 , 1 056 cm-1的谱线除外), 而
且后者有个别谱线消失 , 说明 5-Br-HB对脱氧核糖的损伤较 HB严重.
2.3 HB和 5-Br-HB对碱基的光敏损伤
属于 DNA 的4个碱基(A , G , C , T)的谱线变化各不相同.许多谱线强度陡然下降 , 并有
明显的位移.属于胸腺嘧啶 T 的谱线从 671 cm-1向低波数位移了 14 cm-1(HB)和 13 cm-1
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(5-Br-HB), 在 752cm-1 和 1 210 cm-1 的谱线移到了 753 , 1 201 cm-1 (HB)和 755 ,
1 201 cm-1 (5-Br-HB), 在 1 240 cm-1的谱线消失(HB和 5-Br-HB);属于腺嘌呤 A的谱线从
732 , 1 222 , 1 301 , 1 337 cm-1分别移到了 739 , 1 219 , 1 297 , 1 342 cm-1(HB)和 731 , 1213 ,
1292 , 1348cm-1(5-Br-HB), 在1 520 cm-1的谱线移到了 1 513 cm-1(HB), 在加入 5-Br-HB
的DNA图谱中该谱线消失.属于鸟嘌呤 G的谱线从 684 cm-1移到了 681 cm-1(HB)和 683
cm-1(5-Br-HB), 在1 325 cm-1的谱线在图 2中移到了 1 317 cm-1 , 在图 3中该谱线消失;同
时属于碱基 C ,A 的在 1 255 cm-1的谱线移到了 1 248 cm-1(HB)和 1 256 cm-1(5-Br-HB),
属于碱基 T , A , G 的谱线从1 378 cm-1移到了 1 380 cm-1(HB)和 1 389 cm-1(5-Br-HB), 属
于碱基A , G 的在1 419 cm-1的谱线移到了 1 426 cm-1(HB)和 1 415 cm-1(5-Br-HB), 指定
为碱基G , A 的谱线从1 490 cm-1和 1 581 cm-1分别移到了 1 485 ,1 578 cm-1(HB)和 1 495 ,
1 580 cm-1(5-Br-HB), 属于碱基 G , C 的在 1 534 cm-1的谱线移到了 1 540 cm-1(HB)和
1 546 cm-1(5-Br-HB).同时指定为碱基外 C —N 伸张的谱线从 1 185 cm-1移到了 1 179 cm-1
(HB)和 1 189 cm-1(5-Br-HB), 指定为包括碱基间氢键在内的胸腺嘧啶 T 的羰基C ——O伸张
振动在 1 662 cm-1的谱线位移到 1 656 cm-1(HB)和 1 655 cm-1(5-Br-HB).以上实验现象均
表明 DNA的碱基间氢键断裂 ,4种碱基都受到不同程度的光敏损伤 , 其中胸腺嘧啶 T 和腺嘌
呤A所受的损伤更为严重.比较HB与 5-Br-HB对DNA碱基的光敏损伤 , 后者碱基的谱线的
位移较大(在 1 419 cm-1的谱线除外), 而且有个别谱线消失 , 说明 5-Br-HB对碱基的损伤较
HB更强.
由实验结果可以看出 ,小牛胸腺 DNA 在加入 HB 和 5-Br-HB 合并光照后 , Raman 特征频
率与强度均发生了明显的变化 ,表现出它们有着不同程度的损伤 ,因此 ,均匀的小牛胸腺 DNA
变成了混合的不均匀的多核苷酸:碱基间氢键断裂 ,B型构象消失 , DNA链断裂为多核苷酸以
及其他一些反应产物 , 并且 5-Br-HB对 DNA的光敏损伤大于 HB.
3 讨论
  实验结果表明:在本实验条件下 , HB 和 5-Br-HB 对小牛胸腺 DNA 的损伤是很强的 ,
5-Br-HB对 DNA的损伤大于 HB.这与在非均相体系中 5-Br-HB 的1O2 和·OH 的产率高于
HB
[ 2]密切相关.我们将结合本实验结果讨论 HB 及 5-Br-HB对 DNA 结构的光敏损伤机理.
一般的光敏剂与 DNA的作用分为两种情况[ 9] :
(1)光敏剂与 DNA直接作用:
(ⅰ)光敏剂受光照后将能量传递给 DNA:
3Sens*+1DNA※1Sens+3DNA (1)
(ⅱ)激发态光敏剂与 DNA之间发生电子或质子传递:
3Sens*+DNA※Sens+.+DNA-.
3Sens*+DNA※Sens-.+DNA+. (2)
(ⅲ)激发态光敏剂与 DNA生成加合物:
3
Sens
*+DNA※adduct (3)
Sens代表光敏剂 , 3Sens*代表激发三线态光敏剂 , 1Sens代表单线态光敏剂 , 1DNA代表
单线态 DNA , 3DNA代表三线态 DNA , Sens+., DNA+.和 Sens-., DNA-.分别代表光敏剂和
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DNA的正离子自由基和负离子自由基.
在HB和 5-Br-HB损伤 DNA的实验中 ,激发线波长在可见光区 , 所以光敏剂不能够把能
量直接传递给 DNA[ 9] , 实验证明HB和 5-Br-HB可以产生 HB.-和5-Br-HB.-[ 1 , 10] , 因此HB
和5-Br-HB与DNA之间可以发生电子传递 , 生成 DNA自由基 , 从而对 DNA 造成损伤.实验
报道酚可以与 A-T 碱基对平面结合[ 8] , HB及 5-Br-HB 均为多苯环结构 , 而且有酚羟基 , 所
以HB及 5-Br-HB可以与 DNA的 A-T 碱基对结合 ,对A-T 碱基对进行损伤 , 进而损伤 DNA ,
实验结果表明 A-T 碱基所受损伤较 C-G 碱基严重即可证明这一点.Manfait曾证明药物易与
腺嘌呤的 N-7和 NH2位点结合.本实验中光敏剂与 DNA 的结合可能是通过 HB 和 5-Br-HB
分子的OH 与腺嘌呤 A分子的 NH2位点之间形成氢键;属于脱氧核糖的 C —O 伸张振动的在
1 017 cm
-1和 1 056 cm-1的谱线位移和强度均发生明显的变化 ,暗示光敏剂与 DNA的结合也
可能通过酚羟基与脱氧核糖呋喃环的 C—O之间形成氢键.
(2)光敏剂通过活性氧对 DNA 间接造成损伤:
实验证明 HB及 5-Br-HB在有氧条件下光照后可产生1O2 , O.-2 和.OH[ 1 , 10] . 醌类光敏
剂对 DNA的损伤主要是.OH 和1O2 , 其中.OH 起主要的作用[ 11] .1O2 能够氧化碱基 , 也可能
参与 DNA链的断裂[ 7] .O.-2 虽然不能直接损伤 DNA , 但它可通过 Fenton反应生成.OH 来损
伤DNA[ 9] ..OH 对碱基 、脱氧核糖和脱氧核糖-磷酸均有很强的杀伤能力[ 12] , 它可以通过抽
氢或加成反应生成底物自由基 , 进而进行自由基的次级反应 , 使 DNA受到严重损伤..OH 可
以在脱氧核糖的 1位抽氢 , 形成脱氧核糖自由基 , 而后加 OH 而脱去碱基 , 也可以在 4 位上
抽氢 ,继发反应脱去磷酸基团或将脱氧核糖的呋喃环打开[ 12] , 这从本实验结果中属于骨架磷
酸 , 脱氧核糖-磷酸及脱氧核糖谱线的明显变化得到证实..OH 对碱基的损伤是通过抽氢反应
或.OH 的加成 , 生成碱基自由基[ 9]的途径产生.
图 2中属于脱氧核糖 C —O伸张振动的谱线(1 017 cm-1和 1 056 cm-1)的位移较图 3中
的同类谱线大 ,同时属于碱基 A ,G 在 1 419 cm-1的谱线的位移和强度的变化也较图 3中大 ,
其原因可能是:由于 5-Br-HB的重原子效应使得它在与 DNA的结合上较 HB略逊一筹 ,因而
对易与之结合的腺嘌呤和脱氧核糖的呋喃环的光敏损伤强一些 ,也说明了 HB , 5-Br-HB与
DNA之间的直接相互作用.也正是由于 5-Br-HB 产生1O2 和.OH 的能力强于 HB 才使得
DNA绝大多数谱线的位移和强度的变化在图 3中比图 2中的同类谱线大 ,进一步证明了 HB
和 5-Br-HB对 DNA的损伤主要是通过1O2和.OH ,同时也证明了 5-Br-HB是一种光动力作用
优于 HB的光敏剂.
天然 DNA在 1 125 cm-1的谱线在加入HB和5-Br-HB后分别位移到 1 123 cm-1和 1 129
cm-1 , 该谱线的归属待定.
致谢 本工作为国家自然科学基金(批准号:39470184)资助项目.
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(1997-09-16收稿 , 1997-12-24收修改稿)
阿藿烯(Z_Ajoene)诱导肿瘤细胞凋亡
张四清① 赵 嵩① 闵吉梅② 王 夔②
刘士廉① 郑德先①③*
(①中国医学科学院中国协和医科大学医学分子生物学国家重点实验室,北京 100005;②北京医科大学药学院
天然药物与仿生药物国家重点实验室,北京 100083;③中国医学科学院中国协和医科大学实验血液学国家重点实验室 ,
天津 300020.*联系人)
摘要 为了研究大蒜的药理作用 ,从大蒜中分离得到了含硫的简单有机化合物阿藿烯(z_Ajoene).在体外以
不同浓度的阿藿烯处理 3 种不同的肿瘤细胞 ,应用 M TT 法分析阿藿烯对肿瘤细胞生长的影响 ,采用光学显
微镜 、流式细胞仪和琼脂糖凝胶电泳等技术分析肿瘤细胞形态 、DNA 含量和染色体 DNA 的断裂 , 使用 West-
ern 蛋白印迹法测定基因表达.发现阿藿烯对 HL_60 ,MGc_803和 Molt_4 等 3 种肿瘤细胞均具有明显的致凋
亡作用 ,其机制可能是通过抑制原癌基因 bcl_2 的表达而实现的.
关键词 肿瘤细胞凋亡 阿藿烯 bcl_2表达
长期以来 ,人们认识到大蒜及其提取物具有抗癌[ 1] 、抗细菌 、抗真菌感染[ 2]以及抗血栓形
成的作用[ 3] ,但其药理作用机制及有效成分则不清楚.本研究从大蒜提取物中分离纯化了阿
藿烯(Z_Ajoene),它是一种含硫简单有机化合物 ,结构式为 CH2=CH —CH2 —S(O)—CH2 —
CH=CH —S—S —CH2 —CH=CH2 ,分子量为 234.本项体外实验研究首次证明阿藿烯可诱
导肿瘤细胞凋亡 ,并探讨了其作用机制.
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第43卷 第 9期 科 学 通 报 1998年 5月
研究简报