Estudo do mecanismo e inibição da enzima diidroorotato desidrogenase de Leishmania major

• Main Author: Reis, Renata Almeida Garcia
• Other Authors: Costa, Maria Cristina Nonato
• Format: Others
• Language: pt
• Published: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP 2016
• Subjects: Dihydroorotate dehydrogenases class 1A; Diidroorotato desidrogenases classe 1A; inhibition; inibição; mecanismo; mechanism
• Online Access: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/60/60136/tde-06102016-111707/

Diidroorotato desidrogenases (DHODHs) catalisam a quarta e única reação de oxidorredução na via de síntese de novo de nucleotídeos de pirimidina, que envolve a oxidação do diidroorotato (DHO) a orotato (ORO) em um mecanismo dependente do cofator FMN e de aceptores de elétrons. A relevância de pirimidinas para a proliferação e manutenção celular determina a DHODH como um potencial alvo terapêutico. DHODHs são divididas em duas classes baseado em comparações estruturais e na sequência de resíduos: classe 1, a qual é subdividida em classe 1A e 1B, e classe 2. A proteína utilizada como modelo em nosso estudo sobre as DHODHs de tripanosomatídeos classe 1A é a enzima de Leishmania major (LmDHODH). As metas principais desse trabalho foram de contribuir para a compreensão sobre o mecanismo de ação das DHODHs de classe 1A e propor estratégias de inibição seletiva. Inicialmente, ensaios no estado estacionário e pré-estacionário foram realizados para caracterização do ciclo catalítico da LmDHODH e permitiram a análise das etapas redutivas e oxidativa de forma independente e sua comparação com o ciclo global. Foi também analisada a interação da LmDHODH com os produtos da reação por meio de ensaios de cinética, titulação espectral e titulação isotérmica calorimétrica. Após análises topológicas baseadas na estrutura cristalográfica da LmDHODH, diferentes mutantes foram construídos e caracterizados estruturalmente e cineticamente a fim de investigar a importância de alguns sítios na conformação protéica. Durante a etapa de busca de inibidores, bibliotecas químicas de compostos foram analisadas por meio de interferometria de biocamada e ensaio enzimático. Considerando os resultados obtidos, foi possível pela primeira vez identificar um mecanismo cinético cooperativamente positivo frente à ligação do DHO com coeficiente de Hill (h) próximo a 2. Além disso, nossos resultados mostram que o grau da cooperatividade na ligação do DHO é afetado pelo ORO. A comparação entre os parâmetros obtidos para o estado estacionário e pré-estacionário aliada aos estudos da interação da LmDHODH com os produtos da reação, sugerem que a liberação do ORO é a etapa limitante na velocidade global da reação, o que não é verdade para a enzima humana (DHODH classe 2). A partir das análises dos mutantes, foi possível correlacionar o comportamento cooperativo da enzima LmDHODH com a conversa cruzada entre os sítios-ativos mediada pela interface dimérica. Além disso, foi possível observar que a dinâmica conformacional do loop catalítico é extremamente relevante no mecanismo global da reação e existe uma correlação entre os rearranjos do loop catalítico e a interface dimérica. Nossos resultados fornecem uma importante contribuição para o entendimento dos detalhes do mecanismo catalítico adotado pelas DHODHs de classe 1A. Eles também revelam diferenças chave no mecanismo adotado pelas enzimas de classe 1A e classe 2, os quais podem ser explorados no desenvolvimento de inibidores potentes e seletivos contra a LmDHODH. No que se refere à busca por inibidores, alguns hits foram obtidos por meio da varredura da biblioteca de fragmentos do Drug Discovery Unit (DDU) utilizando interferometria de biocamadas. Além disso, um ensaio enzimático de larga escala (hightroughtput) foi desenvolvido para a LmDHODH e permitiu a triagem de alto desempenho nas bibliotecas de fragmentos e diversidade química. Hits foram validados por meio de ensaio de potência e bons inibidores foram encontrados em ambas as bibliotecas. As varreduras identificaram diferentes séries de compostos como pontos de partida para química medicinal e investigações estruturais. Dois hits identificados a partir da biblioteca de diversidade química apresentam excelentes valores de IC50, 260 nM e 1,07 ?M. === Dihydroorotate dehydrogenases (DHODHs) catalyze the fourth and only redox reaction in the de novo pyrimidine biosynthetic pathway, the oxidation of dihydroorotate (DHO) to orotate (ORO) through a mechanism dependent on the FMN cofactor and electron acceptors. The significance of pyrimidine for cell proliferation and maintenance determine DHODH as potential therapeutic target. DHODHs have been distinguished in two major classes based on sequence and structural comparisons: class 1, which is further divided into subclasses 1A and 1B, and class 2. The model protein in our studies on trypanosomatid class 1A DHODHs is the enzyme from Leishmania major (LmDHODH). The essential question in this study was to contribute for the understanding about the catalytic and inhibition mechanisms of class 1A DHODHs . First, steady-state and pre-steady state kinetic approaches have been used to characterize the catalytic cycle of LmDHODH and have allowed the comparison between the global cycle and each independent half-reaction. Also, the interaction of LmDHODH with the products of the reaction was analyzed by kinetic, spectral titration and isothermal titration calorimetry assays. After topographical analysis based on the LmDHODH crystallographic structure, different mutants were constructed and structurally and kinetically characterized. For inhibitor search, chemical libraries of compounds were screened by using biolayer interferometry binding and enzymatic assays. Based on our results, for the first time, steady-state kinetics analysis of class 1A allowed the observation of a positive cooperativity for DHO binding with a Hill coefficient (h) value close to 2. Moreover, our results show that the degree of cooperativity in DHO binding is affected by ORO. Comparison between steady and pre-steady-state parameters together with studies of interaction for LmDHODH with both products, suggests that ORO release is the rate-limiting step in overall catalysis with is not true to the human enzyme (class 2 DHODH). The hybrid approach used to characterize LmDHODH mutants allowed us to propose that the cooperative behavior is related with the cross-talk between the two active sites mediated by the dimer interface. Also, the conformational dynamics of the catalytic loop is very relevant in the global mechanism of the reaction and there is a correlation between catalytic loop rearrangement and dimer interface. Our results bring an important contribution for a better understanding of the detailed catalytic mechanism adopted by class 1A DHODHs. They also reveal key differences in the enzymatic mechanism adopted by class 1A and class 2 DHODHs, to be exploited in the development of potent and selective LmDHODH inhibitors. Regarding to inhibitors search, few hits were obtained by using screening of Drug Discovery Unit (DDU) fragment library with biolayer interferometry binding assay. Also, an end-point enzymatic assay was developed for LmDHODH and the optimisation carried out at the DDU provided a reliable HTP assay using both DDU\'s fragment library and small diversity set. Hits were validated using a potency assay with good inhibitors found using both libraries. The screens identified a number of series as starting points for medicinal chemistry and structural investigations. Two hits identified from small diversity set exhibit great IC50 values, 260 nM and 1.07 ?M.