Discovery of some phenylhydrazones as potential antimalarials: An integrated computational approach on PfATP6 and PfDHFR mutant proteins
- 1. University of Health and Allied Sciences
- 2. University of Southern Mississippi
Description
Abstract Background Plasmodium falciparum resistance to artemisinins and anti-folate pyrimethamine has hampered WHO efforts in the global eradication of malaria. Several studies have linked artemisinin and pyrimethamine resistance to mutations in the PfATP6 (calcium ATPase) and PfDHFR (dihydrofolate reductase) genes, respectively. However, the mechanism of resistance of Plasmodium falciparum to artemisinins and dihydrofolates has not been fully explored. Hence, new medicines for malaria are urgently needed to find a solution to the increasing demand for antimalarials with improved activity and better safety profiles. In our previous report, the phenylhydrazones PHN3 and PHN6 were shown to possess antimalarial activity on the ring stage of Plasmodium falciparum . Hence, this earlier report was leveraged to form the basis for the in silico design of 72 phenylhydrazone analogues for this study. Methods In this study, computational molecular docking and dynamics via AutoDock tools were used as rational approaches to predict better clinical candidates. We also evaluated all the designed analogues of PHN3 and PHN6 in silico to determine their physicochemical, pharmacokinetic and safety profiles. P. falciparum dihydrofolate reductase (PfDHFR) and P. falciparum ATPase6 (PfATP6) were the protein targets employed in the present study. The structure of the malarial PfATP6 mutant protein (L263E) was modelled from the wild-type PfATP6 structure using PyMOL. Molecular dynamics simulation was carried out following docking experiments to better understand the interactions of the mutant proteins with the optimized ligand complex. Results Hence, we elucidated the binding affinity and efficacy of phenylhydrazone-based compounds on the PfATP6 and PfDHFR proteins in the presence of the L263E and qm-PfDHFR mutations, respectively, with artemisinin and pyrimethamine as standards. Moreover, we identified possible hit candidates through virtual screening of 72 compounds that could inhibit the wild-type and mutant PfATP6 and PfDHFR proteins. We observed that the binding affinity of artemisinin for PfATP6 is affected by L263E mutations. Here, the computational interpretation of Plasmodium resistance to artemisinin and pyrimethamine reinforced the identification of novel compounds (B24 and B36) that showed good binding affinity and efficacy with wt-PfATP6, the L263E mutant, wt-PfDHFR and the PfDHFR quadruple mutant proteins in molecular docking and molecular dynamics studies. It is also worth noting that CN, COCH 3 , COOH, and CONH 2 were better electron withdrawing group replacements for the NO 2 groups in the phenylhydrazone scaffolds in the minimization of toxicity. Twelve of the designed analogues demonstrated favourable physicochemical, pharmacokinetic, and drug-like characteristics, suggesting that they could be promising drug candidates for further investigation. Conclusions These results suggest that the B24 and B36 protein complexes are stable and less likely to induce structural instability in the studied proteins. The binding of B24 and B36 to the active sites of the two Plasmodium proteins was not significantly affected by the mutations. Additionally, when bound to both targets, B24 and B36 exhibited inhibition constants (Ki) below 5 µM for all the proteins docked, indicating that they inhibited the PfATP6 and PfDHFR targets more successfully than did artemisinin and pyrimethamine. The two in silico hit compounds identified represent potential clinical candidates for the design of novel antimalarials.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
ملخص أعاقت مقاومة المتصورة المنجلية للأرتيميسينين والبيريميثامين المضاد للفولات جهود منظمة الصحة العالمية في القضاء على الملاريا على الصعيد العالمي. ربطت العديد من الدراسات مقاومة الأرتيميسينين والبيريميثامين بالطفرات في جينات PfATP6 (إنزيم أتباز الكالسيوم) و PfDHFR (إنزيم اختزال ثنائي هيدروفولات)، على التوالي. ومع ذلك، لم يتم استكشاف آلية مقاومة المتصورة المنجلية للأرتيميسينين وثنائي هيدروفولات بشكل كامل. وبالتالي، هناك حاجة ماسة إلى أدوية جديدة للملاريا لإيجاد حل للطلب المتزايد على مضادات الملاريا مع تحسين النشاط وتحسين السلامة. في تقريرنا السابق، تبين أن الفينيل هيدرازون PHN3 و PHN6 يمتلكان نشاطًا مضادًا للملاريا على المرحلة الحلقية من المتصورة المنجلية . وبالتالي، تم الاستفادة من هذا التقرير السابق لتشكيل الأساس لتصميم 72 نظير فينيل هيدرازون في السيليكو لهذه الدراسة. الأساليب في هذه الدراسة، تم استخدام الالتحام الجزيئي الحسابي والديناميكيات عبر أدوات AutoDock كنهج عقلاني للتنبؤ بمرشحين سريريين أفضل. قمنا أيضًا بتقييم جميع نظائرها المصممة من PHN3 و PHN6 في السيليكو لتحديد ملامحها الفيزيائية والكيميائية والحرائك الدوائية والسلامة. كانت P. falciparum dihydrofolate reductase (PfDHFR) و P. falciparum ATPase6 (PfATP6) هي أهداف البروتين المستخدمة في هذه الدراسة. تم نمذجة بنية البروتين المتحور PfATP6 للملاريا (L263E) من بنية PfATP6 من النوع البري باستخدام PyMOL. تم إجراء محاكاة الديناميكيات الجزيئية بعد تجارب الالتحام لفهم تفاعلات البروتينات المتحولة مع مركب الربيطة الأمثل بشكل أفضل. وبالتالي، أوضحنا تقارب وفعالية المركبات القائمة على الفينيل هيدرازون على بروتينات PfATP6 و PfDHFR في وجود طفرات L263E و qm - PfDHFR، على التوالي، مع الأرتيميسينين والبيريميثامين كمعايير. علاوة على ذلك، حددنا مرشحين محتملين للضرب من خلال الفحص الافتراضي لـ 72 مركبًا يمكن أن تمنع بروتينات PfATP6 و PfDHFR من النوع البري والمتحور. لاحظنا أن تقارب ارتباط الأرتيميسينين لـ PfATP6 يتأثر بطفرات L263E. هنا، عزز التفسير الحسابي لمقاومة البلازموديوم للأرتيميسينين والبيريميثامين تحديد المركبات الجديدة (B24 و B36) التي أظهرت تقاربًا جيدًا للارتباط وفعاليته مع wt - PfATP6، والمتحور L263E، و wt - PfDHFR والبروتينات المتحولة الرباعية PfDHFR في دراسات الالتحام الجزيئي والديناميكيات الجزيئية. تجدر الإشارة أيضًا إلى أن CN و COCH 3 و COOH و CONH 2 كانت بدائل أفضل لمجموعة سحب الإلكترون لمجموعات NO 2 في سقالات فينيل هيدرازون في تقليل السمية. أظهر اثنا عشر من النظائر المصممة خصائص فيزيائية كيميائية ودوائية وشبيهة بالعقاقير، مما يشير إلى أنها يمكن أن تكون مرشحة واعدة لمزيد من البحث. الاستنتاجات تشير هذه النتائج إلى أن مجمعات البروتين B24 و B36 مستقرة وأقل عرضة للحث على عدم الاستقرار الهيكلي في البروتينات المدروسة. لم يتأثر ارتباط B24 و B36 بالمواقع النشطة لبروتين البلازموديوم بشكل كبير بالطفرات. بالإضافة إلى ذلك، عند الارتباط بكلا الهدفين، أظهر B24 و B36 ثوابت تثبيط (Ki) أقل من 5 ميكرومتر لجميع البروتينات الراسية، مما يشير إلى أنها تثبط أهداف PfATP6 و PfDHFR بنجاح أكبر من الأرتيميسينين والبيريميثامين. يمثل المركبان الموجودان في مركبات ضرب السيليكو المحددة مرشحين سريريين محتملين لتصميم مضادات الملاريا الجديدة.Translated Description (French)
Résumé Contexte La résistance de Plasmodium falciparum aux artémisinines et à la pyriméthamine anti-folate a entravé LES efforts de l'OMS dans l'éradication mondiale du paludisme. Plusieurs études ont lié la résistance à l'artémisinine et à la pyriméthamine à des mutations dans les gènes PfATP6 (calcium ATPase) et PfDHFR (dihydrofolate réductase), respectivement. Cependant, le mécanisme de résistance de Plasmodium falciparum aux artémisinines et aux dihydrofolates n'a pas été pleinement exploré. Par conséquent, de nouveaux médicaments contre le paludisme sont nécessaires de toute urgence pour trouver une solution à la demande croissante d'antipaludiques avec une activité améliorée et de meilleurs profils de sécurité. Dans notre précédent rapport, il a été démontré que les phénylhydrazones PHN3 et PHN6 possèdent une activité antipaludique sur le stade cyclique de Plasmodium falciparum . Par conséquent, ce rapport antérieur a été exploité pour former la base de la conception in silico de 72 analogues de la phénylhydrazone pour cette étude. Méthodes Dans cette étude, l'amarrage moléculaire computationnel et la dynamique via les outils AutoDock ont été utilisés comme approches rationnelles pour prédire de meilleurs candidats cliniques. Nous avons également évalué tous les analogues conçus de PHN3 et PHN6 in silico pour déterminer leurs profils physico-chimiques, pharmacocinétiques et de sécurité. P. falciparum dihydrofolate réductase (PfDHFR) et P. falciparum ATPase6 (PfATP6) étaient les cibles protéiques utilisées dans la présente étude. La structure de la protéine mutante PfATP6 du paludisme (L263E) a été modélisée à partir de la structure PfATP6 de type sauvage en utilisant PyMOL. La simulation de la dynamique moléculaire a été réalisée suite à des expériences d'accostage pour mieux comprendre les interactions des protéines mutantes avec le complexe ligand optimisé. Résultats Par conséquent, nous avons élucidé l'affinité de liaison et l'efficacité des composés à base de phénylhydrazone sur les protéines PfATP6 et PfDHFR en présence des mutations L263E et qm-PfDHFR, respectivement, avec l'artémisinine et la pyriméthamine comme étalons. De plus, nous avons identifié des candidats hit possibles grâce au criblage virtuel de 72 composés qui pourraient inhiber les protéines PfATP6 et PfDHFR de type sauvage et mutantes. Nous avons observé que l'affinité de liaison de l'artémisinine pour PfATP6 est affectée par les mutations L263E. Ici, l'interprétation computationnelle de la résistance de Plasmodium à l'artémisinine et à la pyriméthamine a renforcé l'identification de nouveaux composés (B24 et B36) qui ont montré une bonne affinité et efficacité de liaison avec wt-PfATP6, le mutant L263E, wt-PfDHFR et les protéines mutantes quadruples PfDHFR dans les études d'amarrage moléculaire et de dynamique moléculaire. Il convient également de noter que le CN, le COCH 3 , le COOH et le CONH 2 étaient de meilleurs substituts de groupes électroattracteurs pour les groupes NO 2 dans les échafaudages de phénylhydrazone dans la minimisation de la toxicité. Douze des analogues conçus présentaient des caractéristiques physico-chimiques, pharmacocinétiques et médicamenteuses favorables, ce qui suggère qu'ils pourraient être des candidats-médicaments prometteurs pour des recherches plus approfondies. Conclusions Ces résultats suggèrent que les complexes protéiques B24 et B36 sont stables et moins susceptibles d'induire une instabilité structurelle dans les protéines étudiées. La liaison de B24 et B36 aux sites actifs des deux protéines Plasmodium n'a pas été significativement affectée par les mutations. De plus, lorsqu'ils étaient liés aux deux cibles, B24 et B36 présentaient des constantes d'inhibition (Ki) inférieures à 5 µM pour toutes les protéines amarrées, indiquant qu'ils inhibaient les cibles PfATP6 et PfDHFR avec plus de succès que l'artémisinine et la pyriméthamine. Les deux composés in silico hit identifiés représentent des candidats cliniques potentiels pour la conception de nouveaux antipaludiques.Translated Description (Spanish)
Resumen Antecedentes La resistencia de Plasmodium falciparum a las artemisininas y la pirimetamina anti-folato ha obstaculizado LOS esfuerzos de la OMS en la erradicación mundial de la malaria. Varios estudios han relacionado la resistencia a la artemisinina y la pirimetamina con mutaciones en los genes PfATP6 (ATPasa de calcio) y PfDHFR (dihidrofolato reductasa), respectivamente. Sin embargo, el mecanismo de resistencia de Plasmodium falciparum a las artemisininas y los dihidrofolatos no se ha explorado completamente. Por lo tanto, se necesitan urgentemente nuevos medicamentos para la malaria para encontrar una solución a la creciente demanda de antipalúdicos con una mejor actividad y mejores perfiles de seguridad. En nuestro informe anterior, se demostró que las fenilhidrazonas PHN3 y PHN6 poseen actividad antipalúdica en la etapa de anillo de Plasmodium falciparum . Por lo tanto, este informe anterior se aprovechó para formar la base del diseño in silico de 72 análogos de fenilhidrazona para este estudio. Métodos En este estudio, el acoplamiento molecular computacional y la dinámica a través de herramientas AutoDock se utilizaron como enfoques racionales para predecir mejores candidatos clínicos. También evaluamos todos los análogos diseñados de PHN3 y PHN6 in silico para determinar sus perfiles fisicoquímicos, farmacocinéticos y de seguridad. La dihidrofolato reductasa de P. falciparum (PfDHFR) y la ATPasa6 de P. falciparum (PfATP6) fueron las dianas proteicas empleadas en el presente estudio. La estructura de la proteína mutante PfATP6 de la malaria (L263E) se modeló a partir de la estructura PfATP6 de tipo salvaje utilizando PyMOL. La simulación de dinámica molecular se llevó a cabo después de los experimentos de acoplamiento para comprender mejor las interacciones de las proteínas mutantes con el complejo de ligando optimizado. Resultados Por lo tanto, dilucidamos la afinidad de unión y la eficacia de los compuestos basados en fenilhidrazona en las proteínas PfATP6 y PfDHFR en presencia de las mutaciones L263E y qm-PfDHFR, respectivamente, con artemisinina y pirimetamina como estándares. Además, identificamos posibles candidatos a hit a través del cribado virtual de 72 compuestos que podrían inhibir las proteínas PfATP6 y PfDHFR de tipo salvaje y mutante. Observamos que la afinidad de unión de la artemisinina por PfATP6 se ve afectada por las mutaciones L263E. Aquí, la interpretación computacional de la resistencia de Plasmodium a la artemisinina y la pirimetamina reforzó la identificación de nuevos compuestos (B24 y B36) que mostraron una buena afinidad de unión y eficacia con wt-PfATP6, el mutante L263E, wt-PfDHFR y las proteínas mutantes cuádruples PfDHFR en estudios de acoplamiento molecular y dinámica molecular. También vale la pena señalar que CN, COCH 3 , COOH y CONH 2 fueron mejores reemplazos de grupos de extracción de electrones para los grupos NO 2 en los andamios de fenilhidrazona en la minimización de la toxicidad. Doce de los análogos diseñados demostraron características fisicoquímicas, farmacocinéticas y farmacológicas favorables, lo que sugiere que podrían ser candidatos a fármacos prometedores para una mayor investigación. Conclusiones Estos resultados sugieren que los complejos proteicos B24 y B36 son estables y menos propensos a inducir inestabilidad estructural en las proteínas estudiadas. La unión de B24 y B36 a los sitios activos de las dos proteínas de Plasmodium no se vio afectada significativamente por las mutaciones. Además, cuando se unieron a ambas dianas, B24 y B36 exhibieron constantes de inhibición (Ki) por debajo de 5 µM para todas las proteínas acopladas, lo que indica que inhibieron las dianas PfATP6 y PfDHFR con más éxito que la artemisinina y la pirimetamina. Los dos compuestos hit in silico identificados representan posibles candidatos clínicos para el diseño de nuevos antipalúdicos.Files
latest.pdf.pdf
Files
(1.3 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:25696c0acf660c60c810f944f9942bf3
|
1.3 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- اكتشاف بعض الفينيل هيدرازون كمضادات محتملة للملاريا: نهج حسابي متكامل على بروتينات PfATP6 و PfDHFR المتحولة
- Translated title (French)
- Découverte de certaines phénylhydrazones comme antipaludiques potentiels : une approche informatique intégrée sur les protéines mutantes PfATP6 et PfDHFR
- Translated title (Spanish)
- Descubrimiento de algunas fenilhidrazonas como posibles antipalúdicos: un enfoque computacional integrado sobre las proteínas mutantes PfATP6 y PfDHFR
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4392814294
- DOI
- 10.21203/rs.3.rs-4057743/v1
References
- https://openalex.org/W1782975369
- https://openalex.org/W1983733343
- https://openalex.org/W2069506489
- https://openalex.org/W2080432199
- https://openalex.org/W2094768455
- https://openalex.org/W2105668062
- https://openalex.org/W2143272457
- https://openalex.org/W2145808088
- https://openalex.org/W2145852091
- https://openalex.org/W2296386217
- https://openalex.org/W2327323027
- https://openalex.org/W2415187468
- https://openalex.org/W2783683809
- https://openalex.org/W2784798198
- https://openalex.org/W2801088198
- https://openalex.org/W2804822363
- https://openalex.org/W2912372464
- https://openalex.org/W2972067683
- https://openalex.org/W3008404408
- https://openalex.org/W3012303180
- https://openalex.org/W3021701015
- https://openalex.org/W3150816758
- https://openalex.org/W3188437019
- https://openalex.org/W4200276017
- https://openalex.org/W4200427142
- https://openalex.org/W4211238337
- https://openalex.org/W4224312819
- https://openalex.org/W4283273621
- https://openalex.org/W4292819221
- https://openalex.org/W4293248574
- https://openalex.org/W4295279421
- https://openalex.org/W4303446498
- https://openalex.org/W4365811215
- https://openalex.org/W4366088565
- https://openalex.org/W4377293862
- https://openalex.org/W4390046306
- https://openalex.org/W4391429075
- https://openalex.org/W4391771824