Exploiting hydrogen bonding interactions to probe smaller linear and cyclic diamines binding to G-quadruplexes: a DFT and molecular dynamics study

文献情報

出版日 2017-04-07
DOI 10.1039/C7CP00472A
インパクトファクター 3.676
著者

Anik Sen


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要旨

G-quadruplexes are formed by the association of four guanine bases through Hoogsteen hydrogen bonding in guanine-rich sequences of DNA and exist in the telomere as well as in promoter regions of certain oncogenes. The sequences of G-quadruplex-DNA are targets for the design of molecules that can bind and can be developed as anti-cancer drugs. The linear and cyclic protonated diamines have been explored to bind to G-quadruplex-DNA through hydrogen bonding interactions. The quadruplex-DNA binders exploit π-stacking and hydrogen bonding interactions with the phosphate backbone of loops and grooves. In this study, linear and cyclic protonated diamines showed remarkable binding affinity for G-tetrads using hydrogen bonding interactions. The DFT M06-2X/6-31G(d)//B3LYP/6-31+G(d) level of theory showed that the cyclic ee-1,2-CHDA (equatorial–equatorial form of 1,2-disubstituted cyclohexadiamine di-cation) binds to the G-tetrads very strongly (∼70.0 kcal mol−1), with a much higher binding energy than the linear protonated diamines. The binding affinity of ligands for G-tetrads with counterions has also been examined. The binding preference of these small ligands for G-tetrads is higher than for DNA-duplex. The binding affinity of an intercalated acridine-based ligand (BRACO-19) for G-quadruplexes has been examined and the binding energy is relatively lower than that for the 1,2 disubstituted cyclohexadiamine di-cation with G-tetrads. The atoms-in-molecules (AIM) analysis reveals that the hydrogen bonding interactions between the organic systems with G-tetrads are primarily electrostatic in nature. The molecular dynamics simulations performed using a classical force field (GROMACS) also supported the phosphate backbone sites of G-quadruplex-DNA to bind to these diamines. To mimic the structural pattern of BRACO-19, the designed inhibitor N,2-bis-2(3,4-aminocyclohexyl) acetamide (9) examined possesses two 1,2-CHDA moieties linked through an acetamide group. The molecular dynamics results showed that the designed molecule 9 can efficiently bind to the base-pairs and the phosphate backbone of G quadruplex-DNA using H-bonding interactions. The binding affinity calculated for the intercalated acridine-based drug (BRACO-19) with G-quadruplexes is weaker compared to ee-1,2-CHDA. These ligands deliver a different binding motif (hydrogen bonding) compared to the reported G-quadruplex binders of π-delocalized systems and will kindle interest in examining such scaffolds to stabilize DNA.

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Physical Chemistry Chemical Physics

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Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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