Structural and functional studies of the enzyme glucose-6-phosphate dehydrogenase

Tripanossomíases são enfermidades associadas à infecção por protozoários do gênero Trypanosoma. Estas doenças são normalmente tratadas com medicamentos de alta toxicidade e baixa eficiência. A pesquisa de novos compostos que atuem de maneira específica contra alvos metabólicos pré-estabelecidos pode levar ao desenvolvimento de fármacos mais eficientes no tratamento destas enfermidades. A enzima glicose-6-fosfato desidrogenase (G6PD) é um alvo metabólico validado experimentalmente em Trypanosoma brucei. A G6PD catalisa o primeiro passo da via de síntese de pentoses que supre a célula com ribose-5-fosfato para síntese de bases nitrogenadas e NADPH para biosíntese de lípideos, colesterol e neutralização de espécies reativas de oxigênio. O esteróide desidroepiandrosterona (DHEA) e seus análogos são conhecidos inibidores incompetitivos da enzima humana e recentemente foram caracterizados também como potentes inibidores da G6PD de T. brucei e T. cruzi. Estes esteróides também apresentam efeito citotóxico à forma sanguínea de T. brucei e à forma epimastigota de T. cruzi. Em conjunto, estes resultados sugerem que esteróides análogos do DHEA devam ser explorados como uma nova classe de fármacos antiparasitários. Apesar de já haver estruturas da enzima, o sítio de ligação destes esteróides não é conhecido, informação que ajudaria no desenho racional de novos inibidores. Assim, este projeto teve como objetivo principal a identificação do sítio de inibição por cristalografia. Conseguiu-se estabelecer um protocolo de expressão, purificação e cristalização para a G6PD humana. Testou-se a co-cristalização, seeding e soaking com os esteróides DHEA, epiandrosterona (EA) e 16-bromo-epiandrosterona (16BrEA) com os substratos da enzima, além de outros complexos com frutose-6-fosfato, glucosamina-6-fosfato e NADPH. Na tentativa de diminuir a atividade da enzima para facilitar a cristalização com os substratos e os esteróides, fez-se o mutante D200N, que além de ser menos ativo, também apresentou uma menor inibição pelos esteróides. A enzima humana se apresenta como um equilíbrio de dímero e tetrâmero, não se sabendo a influência destes estados na atividade da enzima. Assim, para favorecer somente um estado oligomérico, foram avaliadas mutações na interface do tetrâmero. A mutação A277C permite a formação de uma ponte dissulfeto com a C294, estabilizando o tetrâmero. A mutação E347A é capaz de desestabilizar o tetrâmero, favorecendo a forma dimérica. Embora não tenha sido possível obter a estrutura da enzima com os esteróides, conseguiu-se pela primeira vez apontar para um resíduo importante para a inibição, o que abre oportunidade para investigações futuras que podem levar à descrição do sítio de inibição.Trypanosomiases are infectious diseases caused by protozoan parasites from genus Trypanosoma. Such diseases are currently treated with low effective and highly toxic drugs. The research of novel compounds which inhibits validated metabolic targets might lead to the development of more efficient drugs to such neglected diseases. The enzyme glucose-6-phosphate dehydrogenase (G6PD) was experimentally validated as a metabolic target in T. brucei bloodstream form. G6PD catalyzes the first step of the pentose phosphate pathway (PPP), which supplies the cell with ribose-5-phosphate for synthesis of nucleotides and NADPH for biosynthesis of lipids, cholesterol and detoxification of reactive oxygen species. The steroid Dehydroepiandrosterone (DHEA) and analogues are known uncompetitive inhibitors of the human G6PD and recently they were also characterized as potent inhibitors of T. brucei and T. cruzi G6PD. It was also demonstrated that these steroids are toxic to cultured T. brucei bloodstream form and T. cruzi epimastigote form. Together these results suggest that DHEA derivatives must be explored as a novel anti-parasite drug class. Although the structure of the enzyme is solved, the binding site of these steroids is unknown, information that would help in the rational design of new inhibitors. So, the main goal of this project was the identification of the inhibition site by crystallography. It was established an expression, purification and crystallization protocol for the human G6PD. It was tried the co-crystallization, seeding and soaking of the steroids DHEA, epiandrosterone (EA) and 16-bromo-epiandrosterone (16BrEA) with the substrates of the enzyme, beyond other complexes with fructose-6-phosphate, glucosamine-6-phosphate and NADPH. Attempting to diminish the enzyme activity to facilitate the crystallization with the substrates and the steroids, it was made the mutant D200N, which not only is less active, but it's also less inhibited by the steroids. The human enzyme is in equilibrium between dimer and tetramer, being unknown the effect of these states to the enzyme activity. This way, to favor one oligomer state, it was assessed mutations at the tetramer interface. The mutation A277C allows the formation of a disulfide bond with the C294, stabilizing the tetramer. The mutation E347A is able to destabilize the tetramer, favoring the dimer. Although it was not possible to determine the structure of the enzyme with the steroids, for the first time it was shown the involvement of a residue in the steroid inhibition, which makes possible future investigations that can lead to the inhibition site description