Interaction of cationic porphyrin-imidazophenazine conjugates with DNA quadruplex: FID assay and quantum-chemical modeling

Abstract

Aim. To study the efficiency of tricationic porphyrin–imidazo[4,5-b]phenazine conjugate and its Zn(II) and Mn(III) complexes as G-quadruplex (G4) DNA ligands. Methods. FID (Fluorescent Intercalator Displacement) assay was used to evaluate the affinity of compounds for a model duplex and Tel22 quadruplex DNA at various ionic strengths. Molecular modeling of the conjugate interaction with G4 DNA was performed using the Density Functional Theory (DFT) calculations with M06-2X functional and 6-31G(d) basis set. Guanine octet stabilized with K+ ion was used as a G4 model. Results. DC50 values and dissociation constants were determined for the complexes of three conjugates with duplex and quadruplex DNA. The structures and energetic parameters of G-octet complexes with Zn-metalated conjugate were obtained. Conclusions. All complexes have a strong affinity to the Tel22 quadruplex. The increase of ionic strength results in an increase in selectivity for quadruplex over duplex DNA and the decrease of binding affinity of the ligands. The structure of ligand–G4 complexes is determined by stacking interaction of porphyrin fragment with G-quartet, rather than an intercalative binging of the ligand.

Мета. Дослідити ефективність трикатіонного кон’югату порфірин–імідазо[4,5-b]феназин та його Zn(II) і Mn(III) комплексів як лігандів G-квадруплексної (G4) ДНК. Методи. Метод заміщення флуоресцентного інтеркалятора (FID) використано для оцінки афінності сполук до модельної дуплексної ДНК та квадруплексу Tel22 за різних значень іонної сили розчину. Молекулярне моделювання взаємодії кон’югату з G4-ДНК проведено за допомогою обчислень теорії функціоналу густини (DFT) з використанням функціоналу M06-2X та базисного набору 6-31G(d). Як модель G4 використано гуаніновий октет, стабілізований іоном K+. Результати. Визначено значення DC50 та константи дисоціації комплексів трьох кон’югатів із дуплексною та квадруплексною ДНК. Розраховано структури та енергетичні параметри комплексів G-октету з Zn-металізованим кон’югатом. Висновки. Всі сполуки виявляють високу афінність до квадруплексу Tel22. Збільшення іонної сили веде до зростання селективності до квадруплексної відносно дуплексної ДНК та зниження афінності зв’язування лігандів. Структуру комплексів ліганд–G4 визначає передусім стекінгова взаємодія порфіринового фрагмента з G-квартетом, а не інтеркаляційне зв’язування ліганда.

Цель. Изучить эффективность трикатионного конъюгата порфирин–имидазо[4,5-b]феназин и его Zn(II) и Mn(III) комплексов как лигандов G-квадруплексной (G4) ДНК. Методы. Метод замещения флуоресцентного интеркалятора (FID) использован для оценки аффинности соединений к модельной дуплексной ДНК и квадруплексу Tel22 при разных значениях ионной силы раствора. Молекулярное моделирование взаимодействия конъюгата с G4-ДНК проведено при помощи вычислений теории функционала плотности (DFT) с использованием функционала M06-2X и базисного набора 6-31G(d). В качестве модели G4 использован гуаниновый октет, стабилизированный ионом K+. Результаты. Определены значения DC50 и константы диссоциации комплексов трех конъюгатов с дуплексной и квадруплексной ДНК. Рассчитаны структуры и энергетические параметры комплексов G-октета с Zn-металлизированным конъюгатом. Выводы. Все соединения проявляют высокую аффинность к квадруплексу Tel22. Увеличение ионной силы приводит к возрастанию селективности к квадруплексной относительно дуплексной ДНК и снижению аффинности связывания лигандов. Структуру комплексов лиганд–G4 определяет прежде всего стекинговое взаимодействие порфиринового фрагмента с G-квартетом, а не интеркаляционное связывание лиганда.