锌离子常作为酶的辅因子,参与人体内多种生化反应。锌离子依赖性水解酶能在多种底物上进行水解反应,酶所包含的锌离子可以通过配位、极化底物羰基等作用催化水解反应。组蛋白去乙酰化酶（Histone deacetylase,简称HDACs）和基质金属蛋白酶（Matrix metalloproteinases,简称MMPs）是锌水解酶家族的两个重要成员,在肿瘤的发生、发展过程起重要作用。近年来,已有多种HDAC抑制剂（HDACIs）和MMP抑制剂（MMPIs）被发现,它们的抗肿瘤作用机制也逐渐被阐明。因此研究高效的HDACIs和MMPIs已成为研究新型肿瘤治疗药物的重要内容。HDACs能够去除组蛋白赖氨酸残基上的乙酰基,使染色质结构变致密,从而阻碍染色质的转录和翻译。迄今为止,研究人员已确认18种人源HDACs,根据它们与酵母HDAC的同源性,将其分为四类。HDAC1、2、3和8属于Class ⅠHDAC;HDAC4、5、7 和 9 是 Class Ⅱa 类成员,HDAC6 和 10 属于 Class Ⅱb 类;HDAC11属于Class Ⅳ HDAC;上述三类都是锌离子依赖性酶。Sirtuins（SIRT1-7）由于是NAD+-依赖性酶,被单独划分为Class Ⅲ HDACs。HDACIs通过抑制HDACs的活性,调控染色体和非组蛋白的乙酰化状态,进而改变基因表达。研究表明,HDACIs能够参与细胞周期阻滞、凋亡、自噬和血管生成等多个生理过程,发挥抗癌作用。MMPs属于锌离子依赖性内肽酶类,其中第一个被鉴定的基质金属蛋白酶是胶原酶-1（collagenase-1）,现在也称为基质金属蛋白酶-1（MMP-1）。目前,至少有24种MMPs被鉴定出来,根据其特异性可将其分为五类:胶原酶类（Collagenases）;明胶酶（Ⅳ型胶原酶）类:明胶酶A（MMP-2）和明胶酶B（MMP-9）;间质（基质）溶素类;膜型MMP（MT-MMP）;其他类。MMPs通过蛋白降解细胞外基质（ECM）来促进肿瘤细胞的侵袭转移与血管生成。肿瘤细胞以酶原形式表达分泌MMPs,被激活后的MMPs发挥蛋白降解作用,使肿瘤细胞沿细胞外基质的空隙向周围组织侵袭转移。MMPIs通过抑制MMPs的活性,可以抑制肿瘤细胞的侵袭转移和血管生成,发挥抗癌作用。喹啉类HDACIs的设计、合成及活性研究喹啉结构在抗癌药物小分子设计中被广泛应用,已有喹啉类衍生物作为HDACIs被报道,并表现出较好的HDACs抑制活性以及抗增殖活性。基于课题组前期发现的先导物wl-9w和wl-9y,我们继续使用不同取代的喹啉作为Cap区,以N-羟基肉桂酰胺和N-羟基苯甲酰胺结构作为疏水连接基团和锌离子螯合基团,设计并合成了 28个新型HDACIs。所合成的目标化合物均为新型化合物。随后,我们对合成的化合物进行了 HDACs酶抑制活性测试、抗肿瘤细胞增殖活性测试、HDACs亚型活性测试、细胞内HDACs活性测试、凋亡活性测试和 Western blot 实验。化合物4a和4e表现出一定的酶抑制活性和抗增殖活性。在亚型抑制实验中,4a和4e对HDAC1、8的抑制活性比SAHA强,对HDAC6的抑制活性比SAHA弱;细胞内HDACs活性抑制实验表明,4a和4e对Class Ⅰ HD AC的抑制活性较好。此外,4a还能剂量依赖性地诱导K562细胞的凋亡,以及增加K562细胞内的乙酰化组蛋白H3和乙酰化微管蛋白地表达。具有DNA结合性质的苯并咪唑类HDACIs的设计、合成及活性研究具有DNA结合性质的小分子,通过共价或非共价的形式与DNA结合。共价结合又称为DNA烷基化,DNA发生链内交联或链间交联,延缓或者抑制有丝分裂,破坏细胞性状,从而抑制细胞生长或导致细胞死亡。非共价结合通常包括嵌插结合和小沟槽结合,导致DNA复制、转录以及与其相关的聚合酶、转录因子和拓扑异构酶等蛋白质的功能受到影响,从而起到抗肿瘤的作用。此前,已有文献报道过具有DNA结合活性的HDACIs。本文第三章中,我们用双苯并咪唑环和单苯并咪唑环作为Cap区,脂肪长链异羟肟酸基团作为Linker和锌离子螯合基团,设计并合成了 24个全新的苯并咪唑类HDACIs。所合成的目标化合物均为新型化合物。经过HDACs酶活测试以及HDAC1、2、6、8亚型活性测试,得到4个酶抑制活性较强的化合物22e、221、25k和251;化合物25k对HDAC1抑制活性更是达到了 5nM。通过紫外光谱、圆二色谱以及等温滴定实验的验证,22e和25k能自发地与DNA结合。又经过MTT法抗增殖实验、凋亡实验测试,化合物25k有较好的抗增殖活性和诱导凋亡活性。最后经过Western Blot实验验证,化合物25k抑制HDACs活性,诱导肿瘤细胞内的AC-HH3和AC-tubulin上调,并通过裂解caspase3诱导细胞凋亡。同时,作为一个具有DNA结合性质小分子,25k诱导ssrp1和spt16的下调来促进肿瘤细胞死亡。8-羟基喹啉类MMP抑制剂的设计、合成及活性研究人工合成MMP抑制剂有多种结构类型,其中最常见的是异羟肟酸类衍生物。然而,异羟肟酸基团的强锌离子螯合作用使抑制剂亚型选择性较差并引发多种副作用,导致多个异羟肟酸类MMP抑制剂在临床试验中失败。因此,高选择性低副作用的非异羟肟酸类MMP抑制剂的开发,受到了科研人员的广泛关注。早前,Jacobsen及合作者筛选了数百个结构片段,发现8-羟基喹啉具有MMP抑制活性。通过进一步的结构修饰发现,5-或7-位芳香取代的8-羟基喹啉衍生物,具有微摩尔水平的MMP-2抑制活性。我们在对Jacobsen报道的活性化合物B的进行docking研究发现,8-羟基喹啉能够螯合锌离子且其周围的口袋（S1’或S1）未被充分占据。受上述分析的启发,我们把8-羟基喹啉作为Zn2+结合基团,设计并合成了 31个喹啉类MMP抑制剂。同时,在8-羟基喹啉和芳香取代基之间引入不同长度的柔性Linker,以便提高化合物与周围口袋特别是S1’口袋的结合活性。所合成的目标化合物均为新型化合物。经过对MMP-2/9的抑制活性测试,部分化合物的酶抑制活性相比于先导化合物A有了较大的提高,代表性化合物30e和30h对MMP-2/9的抑制活性在800nM左右。同时,Transwell侵袭实验和HUVECs成管实验表明,化合物30e和30h具有一定的抗侵袭转移活性和抗血管生成活性。Western Blot实验表明,化合物能够下调A549细胞内MMP-2/9的表达,有利于化合物抗肿瘤细胞转移以及血管生成活性的发挥。