aproximacion bioinformatica a la identificacion de dianas farmacologicas expresadas durante el...

APROXIMACION BIOINFORMATICA A LA IDENTIFICACION DE DIANAS FARMACOLOGICAS EXPRESADAS DURANTE EL ESTADO DE LATENCIA

DE Mycobacterium tuberculosis

Christian Solis [email protected]

Universidad Nacional Mayor de SanMarcosFacultad de Farmacía y Bioquímica

Lima- Perú2003

Por Christian Solís Calero Facultad de Farmacía y Bioquímica. UNMSM, Octubre 2003

Indice

1. Introdución

- Bioinformática

- Genómica Mycobacterium tuberculosis

2. Antecedentes

3. Objetivos

4. Metodología

5. Resultados

6. Conclusiones

7. Agradecimientos

BioinformáticaBioinformática es la es la aplicación de la tecnología aplicación de la tecnología de la información a la de la información a la bioquímica y la biología bioquímica y la biología molecularmolecular

BIOINFORMÁTICA

Procesamiento Computacional

Procesamiento de SEÑALES

Procesamiento de DATOS

Procesamiento de CONOCIMIENTO

MUESTRAS DATOS PREDICCIONINFORMACION

Secuencia de aminoácidos

Estructura tridimensional

De Proteína

Secuencia correspondiente

a un gen

Secuencia de nucleótidos

(DNA)

Mycobacterium tuberculosisMycobacterium tuberculosis

- Agente etiológico de la Tuberculosis, la enfermedad infecciosa que más muertes provoca en el mundo.

- La Tuberculosis es un complejo de Fenómenos microbiológicos e Inmunológicos que escapa a una definición simple.

- Nuevos Problemas:•Asociación con la infección del virus del SIDA •Resistencia a la acción de los farmacos.•El Mycobacterium tuberculosis es capaz de causar tanto un proceso agudo de enfermedad como una infección latente asintomática. un tercio de la población mundial puede estar infectada con el bacilo en este estado

Poca o ninguna hipersensibilidad.Negátividad con la tuberculina

Enfermedad sístemica progresiva y muerte

Infección en los alveolos

Los bacilos se multiplican y se movilizan hacia los ganglios linfáticos traqueobronquiales

De estos

91% sin enfermedad

6% TBC Clínica- 2% Pulmonar- 3% extratorácica- 1% ambos casos

3% Enfermedad sistémica Progresiva y Muerte.

Hipersensibilidad de tipo retardado e inmunidad mediada por célulasPositividad conla tuberculina

Se contiene la enfermedadSe contiene la enfermedadLas Bacterias viven pero no se multiplicanEl complejo de Ghon aparece en una fase temprana en el 15% de los casos

LATENCIA

Nuevos Fármacos

Vencer las resistencias

Vacunas

Genoma Genoma Nature 393, 537-544 (1998)

Mycobacterium Mycobacterium tuberculosistuberculosis

GENÓMICA

BIOINFORMATICA

PROTEÓMICA

BIOLOGIAESTRUCTURAL

ANTECEDENTES

- Publicación del genóma de Mycobacterium tuberculosis Deciphering the biology of Mycobacterium tuberculosis from the complete genome sequence. S. T. Cole, y Col Nature 393, 537-544 (1998)

- McKinney, J y Col (2000) señalan que la latencia esta asociada a la expresión del gen para la isocitrato liasa que es esencial para el metabolismo de los ácidos grasos. Nature, 2000; 406: 735-38.

- Glickman, M. Y Col (2000) encuentran una relación directa entre la latencia y la expresión de un gen involucrado en la síntesis de anillos de ciclopropano del ácido micólico. Mol. Cell., 2000; 5: 1-20.

OBJETIVOS

- Hacer un inventario de las posibles dianas farmacológicas relacionadas al estado de latencia de Mycobacterium tuberculosis.

- Evaluar la factibilidad de las posibles dianas farmacológicas en base al análisis del genóma del Mycobacterium tuberculosis.

- Predecir y evaluar las estructuras tridimensionales de las posibles dianas farmacológicas usando herramientas bioinformáticas.

Información Bibliográfica

Medline

Posibles Dianas Farmacológicas

Secuencias de aminoácidos

Entrez

ACTCGTCGTCGTCAATCCCGACTCGTCGTCGTCAATCCCGGTACTTCGACGTCACTGCGTACTTCGACGTCACTGCACTCGTCGTCGTCAATCCCGGTACTTCGACGTCACTGCACTCGTCGTCGTCAATCCCGGTACTTCGACGTCACTGC




METODOLOGIA Análisis GenómicoAnálisis Genómico

KEGG Biblioteca de Genes y Genómas

Fasta ZTubercuList Web Server

Fasta outputFasta outputRegiones del genóma de M tuberculosis similares al gen de la posible Diana

Fasta outputFasta outputRegiones de otros genomas similares al gen de la posible Diana

Fasta Z

Predicción Estructura 3DPredicción Estructura 3D

3D-pssm

Módelado por Homología

Si/NoMódelado por

Threading

Módelo 3D

SWISS-MODEL

3D

NCBI

Blast-P

National Center for Biotechnology Information U.S. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/

KEGG: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomeshttp://www.kegg.com/

TubercuList World-Wide Web Server. Institut Pasteur, 1999-2001 http://genolist.pasteur.fr/TubercuList/

3D-PSSM Protein Fold Recognition (Threading) Serverhttp://www.sbg.bio.ic.ac.uk/~3dpssm/

GEN PROTEINA AccesoEstructura

tridimensional Antagonista conocido Expresión/Función

dapB Dihidrodipicolinato reductasa NP_217289 Si Sulfonamidas

Biosíntesi de diaminopimelato

wbbL ramnosil transferasa CAB07092 No No conocido

crecimiento de la bacteria/capa de arabinogalactano

Rv3264c

D-manosa-1-fosfato guanidiltransferasa

CAC30262 No No conocido

crecimiento de la bacteria/capa de arabinogalactano

acpM

AcpM ( acyl carrier protein del patógeno). NP_216760 Si Isoniazida

Llevar los intermediarios de las enzimas del sistema FasII

InhA enoil-ACP reductasa NP_216000 Si Isoniazida

KasA

beta-cetoacil-ACP sintasa CAA94641 SiIsoniazida, cerulenina y

tiolactomicinaParte Operon sistema FAS II (elongar los

productos de FAS I)

KasB beta-cetoacil-ACP sintasa NP_216762 Nocerulenina y

tiolactomicina

Parte Operon sistema FAS II (elongar los productos de FAS I)

pks2 Síntesis de ácidos grasos con múltiples ramificaciones de grupos

metilNP_218342

No

Se expresa en aquellas cepas de M.tuberculosis capaces de proliferar en macrófagos

FBPB Antígeno 85B/micoliltransferasas P31952 Si

La síntesis de la pared/localización extracelular

fbpC antígeno 85C/micoliltransferasas

P31953

Si CMAA2

Acido micolico ciclopropano sintasa (CMAS) Q11196

Si

introducción de cis-ciclopropano en dos posiciones de la cadena alfa-alquil de los ácidos micólicos

mtfabDmalonil CoA-ACP transacetilasa

(MCAT). NP_855916 No

biosíntesis de ácidos grasos

EmbA P72060 No

EmbBsíntasa de la porción arabinán de

la fracción de arabinogalactán NP_218312

No Etambutol

biosíntesis de la fracción galactán del complejo micolil-arabinogalactán

Rv3808c(glft) UDP-galactofuranosiltransferasa CAA17872No

No conocido

Síntetasa de ácdo micolicos NP_214984 Si No conocidoumaA2

biosíntesis de la fracción galactán del complejo micolil-arabinogalactán

síntasa de la porción arabinán de la fracción de arabinogalactán

No conocido

No conocido

No conocido

No conocido

No conocido

No conocido

DIANAS DE PARED

Esencial

Esencial

elongación de ácidos grasos FASII

GEN PROTEINA Acceso Estructura tridimensional

Antagonista conocido Expresión/Función

cluster génico narGHIJ (ej: NarG)

Complejo nitrato reductasa NP_215677 No No conocido

proteínas respiratorias/vías de respiración del nitrato

hmp

Dioxigenasa que cataliza la transformación del NO a nitrato NP_857241 No No conocido respuesta al estrés

acr la alfa-cristalina AAM69206 No No conocido

Condiciones Anaerobias / asociada al engrosamiento de la pared, estabilizando así la estructura celular

aceAIsocitrato liasa (ICL) NP_336424 Si No conocido

adaptación a las condiciones de microaerofilia/imprescindible para el mantenimiento del estado de latencia

glcB Malato sintetasa CAB01465 Si No conocido

KatG Catalasa-peroxidasa

Q08129 No No conocido defensa antioxidante/oxida la Isoniazida

DIANAS PROPIAS DEL ESTADO DE LATENCIA

adaptación a las condiciones de microaerofilia

GEN PROTEINA AccesoEstructura

tridimensionalAntagonista conocido Expresión/Función

NusAfactor de trascripción (de elongación) CAB08449 Si

Se une a la RNA polimerasa regulación transcripción rRNA.

No conocido

Rv2276

citocromo P450 (monooxigenasa) Q59571 Si

Miconidazol, Clotrimazol

Degradación de ciertos compuestos xenobióticos

No conocido

EfpA bomba de protonesNP_217362

No Expresión es inducida en presencia de Isoniazida

Fola Dihidrofolato reductasa O33305 SiNo conocido

Esencial para la síntesis de nucleótidos y varios aminoácidos (como met, ser y gly);

quinolquinolonic-ácido ribosiltransferasa (QAPRTasa)

No conocido

enzima clave para la biosíntesis del NAD

OTRAS POSIBLES DIANAS FARMACOLÓGICAS

RESULTADOS

Posición en la secuencía de aa

Posición en le genóma de M tuberculosis Z-score E value

acr01--86 764.7 8.80E-41

302485-302366

aceACristalografia2160461-2161345

174-275 276 1.40E-13

2086979-2084757 Cristalografia

KatG 1-740 7142.9 0.00E+00

Hmp1-358 4012414-4013487 1608.8 8.40E-88

narG1-1232 1287326-1291021

Gen

Segmentos de nucleótidos con similaridad Parametros Fasta Z Modelaje de estructura 3D

2278849-2278592Modelaje comparativo26-61 101.8 0.00073

295-608 2161342-2162283 1637.8 2.00E-89

1-295 1512.5 1.90E-82

557972-558277

glcB 1-741 7304.5 0.00E+00

2156109-2153890

Modelaje comparativo17-357 3993707-3994732 274.4 1.80E-13

2231.8 1.70E-122 Modelaje comparativo

1-281 1964184-1963354 464 4.90E-24

Búsqueda de secuencias similares en el Genóma de Mycobacterium tuberculosis

2 regionesSimilares

Threading

Regiones en el genóma con alta similaridad

OUTPUT DEL THREADING3D-PSSM Protein Fold Recognition (Threading)

Server

PERSPECTIVAS

Bases de Datos secundarias

Bloques de secuencia

Conservados

Secuencias de aminoácidos ProDom





Análisis GenómicoAnálisis Genómico

BUSQUEDA EN OTROS GENOMAS Fasta Z

Zonas de la estructura 3DImportantes

Presencia de secuencias Similares

-Información Cualitativa-Constante de acoplamineto Ki.

ChemoinformáticaChemoinformática

Sculpt

LigandosNaturales

Ensayos computacional

de Docking

Módelo 3D

AMBER

PubMed Modelaje molecularAB initio

Módelo 3D Proteína

LigandosSintéticos

Sitio Activo

FARMACOGENÓMICA

Diseño de Drogas en Base a laEstructura tridimensional de la Diana farmacológica

CONCLUSIONES

1. Los genes aceA, glcB, NarG, acr, y KatG de Mycobacterium tuberculosis presentan secuencias de nucleótidos unicas en el genóma poco similares a otras regiones del mismo genoma.

2. El gen hmp presenta dos segmentos de nucleótidos altamente similares en el genoma de Mycobacterium tuberculosis H37Rv , (que posiblemente codifiquen isoenzimas capaces de catalizar la misma reacción, lo que dificultaría el hallar un inhibidor para esta actividad catalítica).

3. La disponibilidad de las estructuras tridimensionales obtenidas experimentalmente o por modelaje molecular comparativo de las proteínas seleccionadas como relacionados al estado de latencia, hace viable la obtención y evaluación computacional de ligandos (posibles farmacos) para estas proteínas.

• Este trabajo de Investigación se realiza gracias al apoyo y auspicio de las siguientes Instituciones:

Facultad de Farmacía y Bioquímica

Universidad Nacional Mayor de San Marcos

La Fundación Carolina de España

FundaciónCarolina

Añay

[email protected]

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