Methotrexate 122

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Le point de vue moléculaire: Methotrexate David S. Goodsell L'Institut de recherche Scripps, Département de biologie moléculaire, La Jolla, Californie, États-Unis David S. Goodsell, Ph. D. L'Institut de recherche Scripps, Département de biologie moléculaire, 10550 North Torrey Pines Road, La Jolla, Californie 92037, États-Unis. Téléphone: 858-784-2839 Télécopieur: 858-784-2860 e-mail: Goodsell scripps. edu WorldWideWeb: http://www. scripps. edu/pub/goodsell La chimiothérapie est l'art de l'empoisonnement sélectif. La plupart des poisons utilisés dans la chimiothérapie moderne compter sur l'observation que la plupart des cellules du corps ne se divisent pas activement, donc des substances qui bloquent une certaine étape dans la reproduction cellulaire aura un effet disproportionnée sur les cellules cancéreuses par rapport aux tissus les plus sains de plus en plus. Pratiquement toutes les étapes de la croissance et la division cellulaire est ciblée par un médicament chimiothérapeutique aujourd'hui. L'enzyme dihydrofolate reductase (DHFR), représentée sur la figure 1 est la première enzyme à être ciblé par une chimiothérapie. Elle joue un rôle de soutien, mais un rôle essentiel, dans la synthèse de nucléotides de thymine. Le rôle de premier plan est joué par la synthase enzyme thymidylate, ce qui ajoute un groupe méthyle sur uracile pour former thymine. Cela peut sembler un petit changement, mais la majeure partie hydrophobe supplémentaire de ce groupe de méthyle est essentiel pour une bonne discrimination de la thymine des trois autres bases par divers facteurs de transcription, des répresseurs, des amplificateurs et d'autres protéines de liaison à l'ADN. Le groupe méthyle est délivré à la thymidylate synthase par l'acide folique, une petite molécule de co-facteur qui est une vitamine essentielle pour les êtres humains. Au cours de la réaction, comme l'ester méthylique de l'acide folique est transféré à l'uracile, la molécule de l'acide folique est oxydé. Ceci est où DHFR fait son entrée: DHFR restaure folate à son état réduit, prêt pour le prochain tour de la synthèse de la thymine. réductase dihydrofolate. DHFR est une petite enzyme avec un grand site actif. Folate, en vert, se lie à côté du cofacteur NADPH, en orange. La réaction se produit là où ils touchent au centre, dans une poche enfouie au plus profond de l'enzyme. L'enzyme humaine est illustrée, en utilisant les coordonnées de l'APB entrée 1DLS. enzymes DHFR provenant d'autres organismes sont similaires en taille et en forme, avec de grandes rainures de sites actifs pour lier folates et NADPH. Mais de petites différences spécifiques aux espèces peuvent être ciblées par des médicaments antibiotiques tels que le triméthoprime, qui bloque la DHFR bactérienne plus efficacement que DHFR humaine. Methotrexate, d'autre part, se lie fortement à la DHFR de nombreuses espèces, et est donc utile en tant qu'agent anti-néoplasique, mais pas comme un antibiotique. Si l'action de la DHFR est bloqué, la cellule meurt. Lorsqu'ils sont traités avec le méthotrexate, le niveau de folate réduit plonge, et la synthèse de la thymine et de purine nucléotides enraye. (Il est prouvé que le méthotrexate bloque aussi d'autres étapes dans la synthèse des nucléotides, grossissant ces effets). Comme les nucléotides thymine disponibles sont épuisées, les faibles niveaux normalement de nucléotides uracile se développent, parce thymidylate synthase ne peut pas effectuer son travail. Uracile est ensuite ajouté à tort croissante des chaînes d'ADN à la place de la thymine. En fin de compte, cette arrête la synthèse de l'ADN et favorise la fragmentation de l'ADN que les enzymes de réparation tentent en vain de supprimer les nombreux nucléotides défectueux. Aminoptérine, une version légèrement modifiée de methotrexate, est le premier médicament est administré pour inhiber la DHFR. Comme avec de nombreux médicaments, il imite le substrat naturel. Les deux aminoptérine et le methotrexate ressemblent folate, mais lient mille fois plus fortement au site actif, bloquant efficacement la liaison normale de folate. En comparant ces molécules à folate, nous nous attendons à ce qu'ils se lient de manière similaire, avec le méthotrexate en utilisant toutes les fonctionnalités de reconnaissance qui ont été optimisés sur l'évolution de l'enzyme. Lorsque les structures cristallographiques de DHFR avec le méthotrexate et avec folate ont été obtenus, cependant, une surprise a été trouvé. L'environnement du site actif était presque identique dans les deux, mais le cycle ptéridine borne de methotrexate a été retournée par rapport à celle de l'acide folique, comme le montre la figure 2. methotrexate et l'acide folique dans le site actif. Ces illustrations montrent une coupe transversale à travers le site actif DHFR. La vue est sensiblement perpendiculaire à la figure 1 et la moitié de l'enzyme qui se lie à NADPH a été supprimée. L'enzyme est représentée sous forme de sphères spacefilling et folate (à gauche) et le méthotrexate (à droite) sont présentés dans la représentation boule-et-bâton, avec des atomes de carbone dans le vert. L'enzyme réduit le groupe terminal de ptéridine de l'acide folique (les deux cycles condensés à six chaînons), qu'on voit ici au centre. Remarquez l'alignement des deux atomes d'azote bleu dans l'acide folique avec les deux atomes d'oxygène rouges dans l'enzyme. Ces deux liaisons hydrogène, avec une série d'interactions avec des molécules de pontage d'eau (non représentés), sont à la base de la reconnaissance. L'anneau de folate contient un oxygène carbonyle (pointant vers le haut en rouge) qui est remplacé par un groupe amino dans le méthotrexate (en bleu). Par conséquent, la bague de methotrexate se lie dans une orientation basculée, comme on le voit sur la gauche. Encore une fois, deux atomes d'azote sur la paire de médicament avec les deux atomes d'oxygène sur la protéine, en formant un complexe solide, stable, mais ils sont une paire différente par rapport aux deux atomes d'azote utilisés en acide folique. entrées PDB 1DLS et 1DHF ont été utilisés pour les illustrations. Nous pensons souvent, étant donné la pléthore de données structurelles et génomiques, que nous comprenons l'action enzymatique, même au niveau de la prévision et de la conception. Ceci est hubris moléculaire pur: peu de surprises, que des données supplémentaires sont recueillies, sans cesse remettre en question nos connaissances. Nous voyons encore et encore. Nous pouvons raisonner qu'un petit changement dans un substrat naturel, tels que le changement d'un carboxyle de folate à un amino-méthotrexate, va créer un nouveau, un meilleur inhibiteur. De manière surprenante souvent, cependant, lorsque cette molécule légèrement modifiée est testée, il se lie d'une manière inattendue. Et puis, contre toute attente, la nouvelle orientation peut être encore mieux que celui que nous attendions des molécules biologiques sont subtlewe encore beaucoup à faire dans la compréhension. Lectures complémentaires Davies JF, Delcamp TJ, Prendergast NJ et al. structures de dihydrofolate réductase humaine recombinante Crystal complexés avec folate et 5-deazafolate. Biochem 199029: 9467-9479. CJ Allegra, Grem JL. Antimétabolites dans Cancer, Principles and Practice of Oncology. Lippincott-Raven Publishers: Philadelphie, 19971: 432-452.