抗癌藥物已成為化療、切除等傳統療法以外的新興利器，其一大宗即是DNA嵌合（intercalation）藥物，透過小分子藥物與DNA的嵌合，抑制癌細胞後續 DNA 及RNA 合成以達到治療效果，來自印度薩哈核物理研究所的團隊便利用計算科學分析小分子藥物與DNA雙股螺旋間的結合模型理論，探討藥物與DNA之間的關鍵嵌合序列，以期開發出更具目標專一性的藥物 [1]。
DNA 的雙股螺旋結構主要靠氫鍵（hydrogen bond）及鹼基推疊（base stacking）穩定，其中人體內最正常穩定狀態的 DNA 為 B 型 DNA（圖一），其為具有寬的主溝槽（major groove）與深窄的次溝槽（minor groove）之右旋結構。小分子藥物與DNA之間的嵌合，主要是將其平面芳香族分子結構嵌入 DNA 次溝槽上的兩相鄰鹼基對中，而由於DNA次溝槽上氫鍵供給原子與氫鍵接受原子的排列變化較小，使得小分子藥物嵌合的序列專一性較不明顯，也仍尚待研究確認是否有嵌合專一序列。
本篇研究所利用的藥物為用於白血症、淋巴瘤等癌症治療上的 Daunorubicin [2]。研究人員於蛋白質資料庫（PDB）取得 Daunorubicin-DNA 複合體結構，依此建立後續分析要使用的藥物-DNA 模型，並以未與藥物結合的 DNA 結構做比較基礎。
圖一、B 型 DNA。（圖片改自：https://commons.wikimedia.org/wiki/File:DNA_(b_form).jpg）
首先，採用分子動力學（molecular dynamics，MD）模擬技術，檢視藥物-DNA複合物在一定時間內的運動軌跡以分析其穩定性。結果發現從 100 毫秒至 500 毫秒之間，此複合物非常穩定，且其結構與最穩定態的B型DNA類似。同時，也利用計算複合物的質心（denter of mass，CM）變化，確認藥物在模擬時間內皆能夠穩定地座落於十個挑選模擬的DNA接合位（intercalated site），研究人員推測這個穩定嵌合的性質導致先前研究認為 Daunorubicin 並無序列專一性。
然若從能量方面切入則結果有所不同。團隊以傳統分子力場（force field）計算 Daunorubicin 與嵌合位鹼基對的作用能（interaction energy），並考慮 Daunorubicin 帶不同胺基的狀況（圖二），便發現帶 NH3+ 的 Daunorubicin 與不同序列的作用能變化較大，其中與 TC/GA 序列有最大負值的作用能（最偏好結合），可見Daunorubicin（NH3+）是較具序列專一性的結構。
圖二、不同氨基狀態的 Daunorubicin 藥物結構。（圖片來源：Maganti, L, 2020, https://doi.org/10.1007/s10822-019-00268-y）
再透過分子力學（molecular mechanics, MM）方法：MM/PBSA 和 MM/GBSA，針對 MD 模擬的結合軌跡（trajectory）計算結合自由能（binding free energy），並考慮因分子嵌合造成的 DNA 形變， Daunorubicin（NH3+） 與 TC/GA 序列的結合自由能同樣為最大負值。
但Daunorubicin（NH3+）其中的帶電荷基團 NH3+ 會使電荷重新分布，並導致分子極化（polarization） ，為了彌補前述方法對此的忽略，團隊進一步採用量子化學方法：密度泛函理論（density functional theory, DFT）分析，DFT方法主要是利用數學方式描述DNA周圍原子作用在氫鍵的所有力量，包括其所產生的拉、推和擺動 [3]，但其缺陷則是基組重疊誤差（basis set superposition error, BSSE）：多分子複合物中，分子與分子之間電子轉移造成的演算誤差。
本研究採用修正後的 DFT-D 方法，針對 BSSE 誤差運用 counterpoise 方法彌補，將每個分子作為一個單元（fragment），將藥物與DNA結合的鹼基堆疊能減去兩個鹼基對之間的作用能，使每個分子之間的計算能建立在同個基礎點，結果仍然顯現 Daunorubicin（NH3+）和 TC/GA 序列有最大負值的嵌合能（圖三），最偏好與其結合。
然而藥物的嵌合並不只是與DNA的吸引，還需要鹼基對讓出空間，因此再加之考量鹼基對的堆疊能（stacking energy），與打開鹼基對與藥物結合的能量懲罰（energy penalty），同樣利用 DFT 和 BSSE 校正，亦發現 TC/GA 鹼基對有最低的有效穩定能（effective stabilization energy），是最穩定的嵌合位。
圖三、Daunorubicin（NH3+）和不同序列的嵌合能，不同顏色代表對不同時間區段內MD模擬數據的分析，黑線為 90–100 奈秒（ns） 、紅線為 490–500 奈秒（ns）。（圖片來源：Maganti, L, 2020, https://doi.org/10.1007/s10822-019-00268-y）
本篇研究結果支持了 Daunorubicin 可能有偏好的 TC/GA 嵌合位，顯示利用計算模擬作為藥物開發策略之一的可行性，有望找出與標的結合更準確的藥物，為精準醫學帶來更多的效益。
參考文獻：
- Maganti, L., & Bhattacharyya, D. (2019). Sequence specificity in DNA–drug intercalation: MD simulation and density functional theory approaches. Journal of Computer-Aided Molecular Design, 34(1), 83-95. doi:10.1007/s10822-019-00268-y
- 中國醫藥大學附設醫院，認識化療藥物 Daunorubicin，https://www.cmuh.cmu.edu.tw/HealthEdus/Detail?no=6776
- Al-Khalili, J., & McFadden, J. (2016). 解開生命之謎：運用量子生物學，揭開生命起源與真相的前衛科學，三采文化出版社。
關鍵字：Drug-DNA intercalation, Cancer, Daunorubicin
撰文｜黃子瑄
審稿｜黃云宣
