Μελέτη προϊόντων οξειδωτικής καταστροφής του DNA

Abstract

The genetic degeneration and instability of the human genome has been linked intimately with all aspects of maintenance of DNA integrity, which is a macromolecule constantly targeted by environmental and endogenous genotoxic agents. DNA appears to be a critical cellular target for the biological effects of oxidation processes mediated by various physical and chemical agents such as ionizing radiation, solar light, photosensitizers, and several enviromental carcinogens. The endogenous production of reactive oxygen species represents another source of oxidative stress for the cells, while the mechanisms for the production of oxidative DNA damage products have been thoroughly studied due to their paramount significance in a number of biological processes. The target of the present thesis was the synthesis and the radiolytic study of modified nucleosidic derivatives in an effort to determine the mechanisms involved in DNA damage. The main tools utilized in the aforementioned studies were the observation of the absorption spectra of the active intermediates through pulse radiolysis and their interpretation through theoretical calculations and characterization of the final stable products through γ-radiolysis experiments. The independent and site-specific generation of nucleosidic radicals on the sugar or the base moiety is a particularly useful tool for studying the radical mechanisms involved. We performed the synthesis of the photolabile derivatives 4.2 and 3.22, which under photolysis generate selectively the neutral radical of the one electron oxidized guanine without the simultaneous formation of the superoxide radical anion, and the C1΄ sugar radical of 2΄-deoxyadenosine, respectively. The opening of the cyclobutane ring of the cis-syn thymine dimer 2.3 was studied and a new mechanism was proposed for this process, which contradicts the widely accepted view of a chain radical mechanism. Moreover, the chemistry of the C5΄ radical of 2΄-deoxyadenosine (3.11), 2΄-deoxyinosine (3.14) and 2΄-deoxyguanosine (3.16) was also studied under various conditions, while the radiolytic study of 8-oxo-2΄-deoxyguanosine (4.1) and other 8-substituted purine nucleosides in the effort of elucidating the mechanisms involved were performed as well. Tautomerization of nucleosidic radicals was discovered recently in the one electron oxidized guanosine. With the purpose of finding new nucleosidic derivatives that exhibit radical tautomerization, as well as the specific characteristics that enable this process, 8-bromo-2-aminoadenosine (5.14), 8-bromoxanthosine (5.15) and 8-bromoisoguanosine (5.16) were synthesized and studied by radiolytic means. Indeed, it was found that reaction of 5.14 with hydrated electrons affords two tautomers, while the mechanism for the one electron reduction of 5.15 and 5.16 was determined. Finally, the one electron reduction of guanosine was reevaluated and the existence of two tautomeric forms of the one electron reduced guanine was discovered, while radiolytic studies of the reaction between guanosine and hydroxyl radicals revealed the existence of two tautomeric forms of the one electron oxidized guanine. The mechanism of the latter reaction, in particular, is of great interest since it represents possibly the most important reaction of oxidative damage in DNA. Our results have led to the revision of these mechanisms and have suggested that there may be several others that could be explained through tautomerization in nucleosidic radicals.

Ο γενετικός εκφυλισμός και η αστάθεια του ανθρώπινου γονιδιώματος συνδέεται άρρηκτα με την ακεραιότητα του DNA, η οποία πλήττεται διαρκώς από περιβαλλοντικούς και ενδογενείς γενοτοξικούς παράγοντες. Το DNA αποτελεί ένα κρίσιμο στόχο για τις βιολογικές επιπτώσεις οξειδωτικών διεργασιών, οι οποίες εξαρτώνται από διάφορους φυσικούς και χημικούς παράγοντες, όπως η ιοντίζουσα ακτινοβολία, το ηλιακό φως, φωτοευαισθητοποιητές, και πληθώρα περιβαλλοντικών καρκινογόνων. Η ενδογενής παραγωγή δραστικών οξειδωτικών ενώσεων και ελευθέρων ριζών οξυγόνου αντιπροσωπεύει ακόμη μία πηγή οξειδωτικού στρες για τα κύτταρα, ενώ οι μηχανισμοί παραγωγής των προϊόντων οξειδωτικής καταστροφής του DNA έχουν τύχει επισταμένης έρευνας λόγω της κεφαλαιώδους σημασίας τους σε πληθώρα βιολογικών διεργασιών. Στόχος της παρούσας διατριβής ήταν η σύνθεση και η ραδιολυτική μελέτη τροποποιημένων νουκλεοζιτών, με απώτερο σκοπό τη διερεύνηση και την εξακρίβωση ορισμένων εκ των μηχανισμών καταστροφής του DNA. Τα κύρια εργαλεία που χρησιμοποιήθηκαν στις παραπάνω μελέτες ήταν η παρατήρηση των φασμάτων απορρόφησης των ενεργών ενδιαμέσων μέσω μεθοδολογίας παλμικής ραδιόλυσης και η εξήγησή τους μέσα από θεωρητικούς υπολογισμούς και χαρακτηρισμό των τελικών σταθερών προϊόντων μέσω πειραμάτων γ-ραδιόλυσης. Η ανεξάρτητη και εκλεκτική παραγωγή νουκλεοζιτικών ριζών, τόσο πάνω στο σάκχαρο, όσο και πάνω στη βάση αποτελεί ένα ιδιαίτερα χρήσιμο εργαλείο για τη μελέτη των εμπλεκόμενων ριζικών μηχανισμών. Πραγματοποιήθηκε η σύνθεση των φωτοευαίσθητων παραγώγων 4.2 και 3.22, τα οποία με φωτόλυση παράγουν εκλεκτικά την ουδέτερη ρίζα της οξειδωμένης κατά ένα ηλεκτρόνιο γουανίνης, χωρίς ταυτόχρονο σχηματισμό του υπεροξειδικού ριζικού ανιόντος και την C1΄ σακχαρική ρίζα της 2΄-δεοξυαδενοσίνης, αντίστοιχα. Μελετήθηκε ραδιολυτικά η διάνοιξη του κυκλοβουτανικού δακτυλίου του cis-syn διμερούς θυμίνης 2.3 και προτάθηκε νέος μηχανισμός για τη συγκεκριμένη διεργασία, ο οποίος αναίρεσε τη μέχρι τώρα επικρατούσα αντίληψη περί αλυσιδωτού ριζικού μηχανισμού. Επιπλέον, μελετήθηκε η χημεία της C5΄ ρίζας της 2΄-δεοξυαδενοσίνης (3.11), της 2΄-δεοξυινοσίνης (3.14) και της 2΄-δεοξυγουανοσίνης (3.16) υπό διάφορες συνθήκες, ενώ πραγματοποιήθηκε η ραδιολυτική μελέτη της οξείδωσης και της αναγωγής ενός ηλεκτρονίου της 8-οξο-2΄-δεοξυγουανοσίνης (4.1), καθώς και άλλων 8-υποκατεστημένων πουρινών, με σκοπό τη μελέτη των εμπλεκόμενων μηχανισμών. Η ταυτομέρεια των νουκλεοζιτικών ριζών ανακαλύφθηκε πρόσφατα στην κατά ένα ηλεκτρόνιο οξειδωμένη γουανοσίνη. Με στόχο την εύρεση νέων νουκλεοζιτικών συστημάτων, τα οποία εμφανίζουν ριζική ταυτομέρεια, καθώς και των χαρακτηριστικών που απαιτούνται για την εκδήλωσή της, πραγματοποιήθηκε η σύνθεση και η ραδιολυτική μελέτη της 8-βρωμο-2-αμινοαδενοσίνης (5.14), της 8-βρωμοξανθοσίνης (5.15) και της 8-βρωμοϊσογουανοσίνης (5.16), όπου εντέλει αποδείχθηκε ότι η 5.14 εμφανίζει ταυτομέρεια κατά την αντίδραση με ενυδατωμένα ηλεκτρόνια, ενώ προσδιορίστηκε ο μηχανισμός αναγωγής ενός ηλεκτρονίου και των 5.15 και 5.16. Τέλος, επανεξετάστηκε η αναγωγή ενός ηλεκτρονίου της γουανοσίνης, όπου ανακαλύφθηκε η ύπαρξη δύο ταυτομερικών δομών της ανηγμένης κατά ένα ηλεκτρόνιο γουανίνης, ενώ κατά τη μελέτη της αντίδρασης της γουανοσίνης με ρίζες υδροξυλίου ανακαλύφθηκε η ύπαρξη δύο ταυτομερικών δομών της οξειδωμένης κατά ένα ηλεκτρόνιο γουανίνης. Ειδικά ο μηχανισμός της δεύτερης αντίδρασης παρουσιάζει τεράστιο ενδιαφέρον, καθώς πρόκειται ίσως για την πλέον σημαντική αντίδραση οξειδωτικής καταστροφής του DNA. Τα αποτελέσματά μας οδήγησαν στην αναθεώρηση των συγκεκριμένων μηχανισμών και έδειξαν ότι ίσως υπάρχουν ακόμη αρκετοί μηχανισμοί, οι οποίοι θα μπορούσαν να εξηγηθούν υπό το πρίσμα της ταυτομέρειας των νουκλεοζιτικών ριζών.