Flavin-Dependent Thymidylate Synthase as a Drug Target for Deadly Microbes: Mutational Study and a Strategy for Inhibitor Design

Timidilato sintasa dependiente de flavina como un objetivo farmacológico para microbios mortales: estudio mutacional y una estrategia para el diseño de inhibidores

La identificación de la timidilato sintasa dependiente de flavina (FDTS) como una enzima esencial y su aparición en varios microbios patógenos abre oportunidades para usar la enzima FDTS como un excelente objetivo para el descubrimiento de nuevos fármacos antimicrobianos. A diferencia de la enzima timidilato sintasa humana que utiliza tetrahidrofolato de metileno (folato CH₂H₄) para la conversión de dUMP a dTMP, las enzimas microbianas utilizan una molécula FAD adicional no unida covalentemente para la transferencia de hidruro de NAD (P) H. Las diferencias estructurales y mecanicistas entre las enzimas humanas y microbianas presentan una oportunidad atractiva para el diseño de compuestos antimicrobianos específicos para los patógenos. Hemos determinado la estructura cristalina de la enzima FDTS en complejo con el donante de metilo, el folato CH₂H₄. Aquí describimos la estructura de un mutante FDTS y la comparamos con otras estructuras complejas de FDTS, incluido un complejo de folato FDTS-CH₂H₄. Identificamos un cambio conformacional esencial para la unión del sustrato y proponemos una estrategia para el diseño de inhibidores específicos de FDTS.

Introducción

La biosíntesis de novo del timidilato (2´-deoxitímino-5´-monofosfato; dTMP), una de las cuatro bases del ADN, requiere la enzima timidilato sintasa [1]. Se han descrito dos tipos de sintasas de timidilato y ambas utilizan el monofosfato de 2´-deoxiuridina-5´- (dUMP) como sustrato [1,2]. Las timidilato sintasas (TS) clásicas utilizan el N5,N10-metileno-5,6,7,8-tetrahidrofolato (folato de CH₂H₄) para reducir el dUMP de metilato produciendo dTMP, mientras que la recientemente identificada timidilato sintasa dependiente de la flavina (FDTS) utiliza un nucleótido de adenina de flavina (FAD) no unido covalentemente para la reducción [2]. El SEFD se encuentra en ~30% del genoma microbiano. Las dos familias de sintasas de timidilato son mecánica y estructuralmente diferentes [1-4]. Nuestros estudios recientes han demostrado que, a diferencia de la enzima clásica que utiliza un residuo de cisteína para formar un enlace covalente con el dUMP, la enzima dependiente de la flavina no utiliza un nucleófilo enzimático para la reacción [3]. La singularidad de la enzima FDTS también es revelada por un novedoso pliegue de su estructura [4]. Las estructuras de SDF de varios organismos comparten un pliegue similar, y el alto nivel de similitud de secuencia de SDF de otros organismos indica estructuras muy similares para todos ellos [5-7].

El aumento de la resistencia bacteriana ha estimulado un nuevo interés en encontrar nuevos objetivos para el desarrollo de agentes antimicrobianos eficaces. La presencia de SDF en muchos organismos patógenos (Figura 1) y su ausencia en el ser humano hacen que los SDF sean un blanco atractivo para los antimicrobianos y hay varios estudios en curso para desarrollar inhibidores específicos para las enzimas FDTS [8,9]. El mecanismo catalítico de la enzima clásica es bien conocido y ha facilitado el desarrollo de varios inhibidores, algunos de los cuales se utilizan clínicamente como fármacos contra el cáncer (por ejemplo, el 5-flouro-uracil, el tomudex (Raltitrexed)) [1,10].