Biochemical characterization of the bifunctional enzyme dihydrofolate reductase-thymidylate synthase from Leishmania (Viannia) and its evaluation as a drug target

Abstract

ABSTRACT : Introduction. Dihydrofolate reductase (DHFR) has been used successfully as a drug target in the area of anti-bacterial, anti-cancer and anti-malarial therapy. Although this bifunctional enzyme is also a potential drug target for treatment of leishmaniasis, there have been no reports on its efficacy against Leishmania (Viannia) species. Materials and methods. The gene encoding the bifunctional DHFR and thymidylate synthase (TS) of Le. (V.) braziliensis was isolated and expressed in E. coli. The enzyme was purified and characterized. The inhibitory effects of antifolates and four aporphine alkaloids on its activity were evaluated. Results. The full-length gene consists of a 1560-bp open reading frame encoding a 58 kDa translated peptide containing DHFR and TS domains linked together in a single polypeptide chain. The recombinant DHFR-TS enzyme revealed Km and Vmax values of 55.35 ± 4.02 μM (mean ± SE) and 0.02 ± 5.34 x 10-4 μM/min respectively for dihydrofolic acid (H2 F). The Le. braziliensis rDHFR-TS have Ki values for antimicrobial antifolates in the µM range. Methotrexate (MTX) was a more-potent inhibitor of enzymatic activity (Ki = 22.0 µM) than trimethoprim (Ki = 33 µM) and pyrimethamine (Ki = 68 µM). These Ki values are significantly lower than those obtained for the aporphine alkaloids. Conclusion. The results of the study show the inhibitory effect of antifolate drugs on enzymatic activity, indicating that Le. braziliensis rDHFR-TS could be a model to studying antifolate compounds as potential antiprotozoal drugs.

RESUMEN : Introducción. La dihidrofolato reductasa (DHFR) se ha utilizado como blanco molecular en tratamientos antibacterianos, anticancerígenos y antipalúdicos. También, actúa como blanco molecular en Leishmania; sin embargo, no existen reportes de la enzima bifuncional en especies de Leishmania (Viannia). Materiales y métodos. Se ha aislado y expresado en Escherichia coli el gen que codifica para la enzima bifuncional DHFR y la timidilato-sintasa (TS) de Leishmania braziliensis. La enzima recombinante se purificó y caracterizó, y se evaluó el efecto inhibitorio de algunos antifolatos, así como de cuatro alcaloides aporfínicos. Resultados. El gen se compone de aproximadamente 1.560 pb y codifica un péptido de 58 kDa que contiene los dominios DHFR y TS ligados en una sola cadena polipeptídica. La enzima recombinante DHFR-TS, utilizando el dihidrofolato (H2F) como sustrato, presentó valores de Km y Vmax de 55,35 ± 4,02 (media ± el error estándar de la media) y de 0,02 ± 5,34 x 10-4, respectivamente. La enzima rDHFR-TS de L. braziliensis presentó valores de Ki para los antifolatos en el rango de micras. El metotrexato fue el inhibidor más potente de la actividad enzimática (Ki=22,0 mM) en comparación del trimetoprim (Ki=33 mM) y la pirimetamina (Ki=68 mM). Estos valores de Ki son significativamente más bajos en comparación con los obtenidos para los alcaloides aporfínicos. Conclusión. Los resultados muestran el efecto inhibitorio de los antifolatos sobre la actividad enzimática, lo cual indica que la rDHFR-TS de L. braziliensis podría ser un modelo para estudiar moléculas antiprotozoarias potenciales.