Identification of Resistance Determinants for 1-Hydroxy-2-Alkyl-4(1)quinolones in Toxoplasma gondii
Final Report Abstract
Aufgrund zunehmender Resistenzen werden dringend neue Wirkstoffe gegen den Malariaerreger "Plasmodium", sowie andere Protozoen aus der Gruppe der Apicomplexa benötigt. "Toxoplasma gondii" hat sich hierbei aufgrund seiner einfachen Kultivierbarkeit und effizienten genetischen Manipulierbarkeit als Modellorganismus etabliert, an dem sich grundlegende zellbiologische und biochemische Eigenschaften untersuchen lassen. In diesem Projekt sollte der Wirkmechanismus von 1-Hydroxyquinolonen (z.B. HDQ), der zur Replikationshemmung von "Toxoplasma gondii" und "Plasmodium falciparum" im nanomolaren Bereich führt, aufgeklärt werden. Aus Vorarbeiten war bekannt, dass 1-Hydroxyquinolone die mitochondriale Atmungskette von "T. gondii" inhibieren. Durch Enzymkinetiken konnte gezeigt werden, dass die "T. gondii" alternative NADH Dehydrogenase (TgNDH2) durch 1-Hydroxyquinolone gehemmt wird. Allerdings deuteten Versuche mit "Tgndh2" knock-out Mutanten darauf hin, dass die wachstumshemmende Wirkung von 1-Hydroxyquinolonen auf der Hemmung zusätzlicher Targets basiert. Aufgrund der strukturellen Ähnlichkeit von 1-Hydroxyquinolonen zu den Ubiquinonen war eine der Arbeitshypothesen in diesem Projekt, dass Ubiquinon-reduzierende Enzyme der Atmungskette Zielstrukturen von 1-Hydroxyquinolonen sind. Startpunkt dieses Projektes waren durch chemische Mutagenese hergestellte "T. gondii" Mutanten, die eine partielle HDQ-Resistenz aufweisen. Durch die Sequenzanalyse der Gene für Ubiquinon-reduzierende Enzyme konnte eine Punktmutation (N302S) im Gen der Dihydroorotat-Dehydrogenase ("dhodh") in diesen Mutanten identifiziert werden. Ein Austausch des wildtyp (wt) "dhodh" Allels gegen das N302S Allel führte zu einer stark erhöhten 1-Hydroxyquinolone-Resistenz. Inhibitionskinetiken brachten den biochemischen Beweis, dass die wt-DHODH enzymatisch durch 1-Hydroxyquinolone inhibiert wird. DHODH ist als Zielgen für antiparasitäre Wirkstoffe besonders interessant, da es sowohl eine Komponente der Atmungskette, als auch der "de novo" Pyrimidinbiosynthese ist. Wir konnten zeigen, dass ein großer Teil der inhibitorischen Wirkung von 1-Hydroxyquinolonen auf der Hemmung der "de novo" Pyrimidinbiosynthese von "T. gondii" beruht. Die weitere Entwicklung von 1-Hydroxyquinolonen als Wirkstoffe gegen die Gruppe der Apicomplexa, von sowohl humanmedizinisch als auch veterinärmedizinischer Bedeutung, wäre im Lichte der bisherigen Ergebnisse vielversprechend.
Publications
- (2013). Identification of dihydroorotate dehydrogenase as a relevant drug target for 1-hydroxyquinolones in Toxoplasma gondii. Mol Biochem Parasitol. 190(1):6-15
Hegewald, J., U. Gross, W. Bohne
(See online at https://doi.org/10.1016/j.molbiopara.2013.05.008) - „Identifizierung und Charakterisierung der Dihydroorotat Dehydrogenase als Zielstruktur von 1-Hydroxyquinolonen in Toxoplasma gondii“; Diss., Georg-August-Universität Göttingen, 2013
Jana Hegewald
