Caracterização bioquímica, biofísica e estudos inibitórios da enzima diidroorotato desidrogenase de Schistosoma mansoni

• Main Author: Costacurta, Juliana Serafim David
• Other Authors: Costa, Maria Cristina Nonato
• Format: Others
• Language: pt
• Published: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP 2014
• Subjects: biochemical and biophysical characterization; caracterização bioquímica e biofísica; dihydroorotate dehydrogenase; diidroorotato desidrogenase; esquistossomose; estudos inibitórios; inhibitory studies; schistosomiasis
• Online Access: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/60/60136/tde-27112014-093953/

Muitas doenças parasitárias, consideradas negligenciadas devido à falta de investimentos para o desenvolvimento de novas estratégias de prevenção e tratamento por parte dos setores público e privado, constituem um grave problema de saúde pública mundial e um obstáculo ao desenvolvimento sócio-econômico de países pobres e emergentes. A esquistossomose, em especial, é uma parasitose causada por platelmintos trematódeos do gênero Schistosoma que afeta 78 países e aproximadamente 249 milhões de pessoas. No Brasil, o S. mansoni é o agente etiológico causador da esquistossomose, chega a atingir 19 estados e aproximadamente 6 milhões de indivíduos. Embora atualmente o fármaco praziquantel seja utilizado para o tratamento da esquistossomose, há a necessidade de busca por novas opções terapêuticas, uma vez que este possui eficácia restrita ao estágio adulto do parasita, efeitos colaterais que dificultam a adesão do paciente ao tratamento e, dada a massiva administração do medicamento, a resistência do parasita ao medicamento pode se tornar um sério problema de saúde pública. Dentro deste contexto, existe um grande interesse em buscar novos alvos macromoleculares e em particular investigar o potencial da enzima diidroorotato desidrogenase (DHODH) como possível alvo terapêutico para o desenvolvimento de terapias eficazes e seguras para o tratamento da esquistossomose. A enzima DHODH participa da quarta etapa enzimática da via de biossíntese de nucleotídeos pirimidínicos, e estudos recentes demonstram que a inibição específica desta enzima compromete a produção de nucleotídeos, e consequentemente a proliferação celular. Na verdade a enzima DHODH já é alvo validado para o tratamento de doenças como o câncer, a artrite reumatoide e doenças parasitárias como a malária. Como primeira etapa para a avaliação do potencial terapêutico da enzima DHODH no tratamento da esquistossomose, este projeto propõe a caracterização bioquímica e biofísica da DHODH de Schistosoma mansoni, bem como a identificação de inibidores para esta enzima. Os resultados obtidos até o presente momento consistem no desenvolvimento de um protocolo de expressão e purificação que permitiram a obtenção de proteína pura e com rendimento de 40 miligramas de proteína por litro de meio de cultura. Nossos estudos demonstraram que a proteína se mostra mais estável na presença de detergente, alta concentração de sal e glicerol. Ensaios de espalhamento dinâmico de luz realizados a partir de amostras de SmDHODH purificadas a partir da associação de cromatografia por afinidade com cromatografia por exclusão molecular foram utilizados para a caracterização de uma população homogênea de diâmetro aproximado de 90 Å. Ensaios de atividade enzimática e de inibição foram realizados para SmDHODH, como também para a proteína homóloga humana, HsDHODH, de forma a permitir estudos comparativos. Os resultados sugerem que o pH ótimo da reação para ambas as enzimas se encontra na faixa entre 8,0 e 8,5. O protocolo de caracterização cinética desenvolvido para estas enzimas permitiu a obtenção dos parâmetros KM e kcat, assim como dar início à realização de ensaios de inibição na presença de bancos de ligantes de origem sintética e natural. Os resultados cinéticos obtidos sugerem que a SmDHODH e a HsDHODH seguem o mecanismo ii Ping-Pong, de acordo com o que já foi descrito para as outras DHODHs, com os seguintes valores de KM e kcat: KDHO= 174 ± 18 ?M; KQo= 159 ± 18 ?M; e kcat= 27 ± 1 s-1 para a SmDHODH e KDHO= 286 ± 31 ?M; KQo= 354 ± 38 ?M; e kcat= 78 ± 4 s-1 para a HsDHODH. Foram identificados compostos químicos com potencial inibitório na faixa de 794 ? 3 ?M a 19,1 ? 0,1 nM para a SmDHODH e de 33,9 ? 0,1 ?M a 37,2 ? 0,1 nM para a HsDHODH. Os resultados deste trabalho aliado aos estudos estruturais em desenvolvimento pelo nosso laboratório serão utilizados não só para a completa caracterização da enzima, mas também para o futuro planejamento de ligantes específicos baseados na estrutura e função protéica, como uma importante ferramenta no combate à esquistossomose. === Many parasitic diseases, considered neglected due to lack of investment from the public and private sectors in the development of new strategies for prevention and treatment, are a serious global public health problem and a hindrance to the development of poor and emergent countries. Schistosomiasis, in particular, is a parasitic disease caused by trematode plathelmintes of the genus Schistosoma that affects 78 countries and approximately 249 million people. In Brazil, S. mansoni, the endemic etiologic agent of schistosomiasis, is found in 19 states and affects approximately 6 million people. Although the drug praziquantel is currently used for the treatment of schistosomiasis, this drug has limited effectiveness in the adult stage of the parasite, many side effects hamper the adherence to the patient´s treatment and, given the intense drug usage, resistant parasites can, very soon, become a serious public health problem. Thus, there is a real need for the search of new therapeutic options. Within this context, there is a great interest in the search for new macromolecular targets against Schistosoma mansoni and in particular, to investigate the enzyme dihydroorotate dehydrogenase (DHODH) as new therapeutic target for the treatment of schistosomiasis. DHODH catalyzes the conversion of dihydroorotate (DHO) to orotate (ORO) in the fourth step of the pyrimidine nucleotides pathway. Recent studies show that specific inhibition of this enzyme commits nucleotides biosynthesis and, consequently, cell proliferation. DHODH is, in fact, a validated target for the treatment of diseases such as cancer, rheumatoid arthritis and malaria. As a first step towards the evaluation of the therapeutic potential of DHODH from S. mansoni (SmDHODH) for the treatment of schistosomiasis, this project proposed the biochemical and biophysical characterization, as well as the identification of inhibitors for this enzyme. The results obtained so far included the development of an expression and purification protocol that allowed us to obtain pure protein with a good yield. In addition, our findings reveals that for SmDHODH stabilization the enzyme requires a buffer containing detergent, glycerol and high salt concentration. Dynamic light scattering studies performed with SmDHODH protein samples purified by a combination of both affinity chromatography and size exclusion chromatography allowed the characterization of a homogeneous population with approximately 90 Å diameter. In order to allow comparative studies, enzymatic and inhibitory assays were performed for SmDHODH as well as for the human homologous enzyme (HsDHODH). The results suggest that for both enzymes the optimum pH for the enzymatic reaction is found in the range of 8.0 and 8.5. The enzymatic assay developed for this class of enzymes allowed the characterization of the kinetic parameters KM and kcat for both enzymes, as well as the performance of inhibitory assays in the presence of synthetic and natural ligands. The inhibition tests allowed us the identification of chemical compounds that inhibit SmDHODH in the range of 794 ? 3 ?M to 19.1 ? 0.1 nM and HsDHODH in the range of 33.9 ? 0.1 ?M a 37.2 ? 0.1 nM. The results of this work, together with structural studies currently in progress in our laboratory will be exploited for the complete characterization of the iv enzyme, as well as for the development of specific inhibitors of SmDHODH, as an important tool in the fight against schistosomiasis.