Structural basis for selective targeting of leishmanial ribosomes: aminoglycoside derivatives as promising therapeutics

Abstract

Leishmaniasis comprises an array of diseases caused by pathogenic species of Leishmania, resulting in a spectrum of mild to life-threatening pathologies. Currently available therapies for leishmaniasis include a limited selection of drugs. This coupled with the rather fast emergence of parasite resistance, presents a dire public health concern. Paromomycin (PAR), a broad-spectrum aminoglycoside antibiotic, has been shown in recent years to be highly efficient in treating visceral leishmaniasis (VL)—the life-threatening form of the disease. While much focus has been given to exploration of PAR activities in bacteria, its mechanism of action in Leishmania has received relatively little scrutiny and has yet to be fully deciphered. In the present study we present an X-ray structure of PAR bound to rRNA model mimicking its leishmanial binding target, the ribosomal A-site. We also evaluate PAR inhibitory actions on leishmanial growth and ribosome function, as well as effects on auditory sensory cells, by comparing several structurally related natural and synthetic aminoglycoside derivatives. The results provide insights into the structural elements important for aminoglycoside inhibitory activities and selectivity for leishmanial cytosolic ribosomes, highlighting a novel synthetic derivative, compound 3, as a prospective therapeutic candidate for the treatment of VL.

Antileishmanial Chemotherapy: A Literature Review

“…[122][123] Nestes trabalhos, destacam-se os derivados de paromomicina dissubstituídos, incluindo geneticina (G418), como candidatos promissores que atuam no RNA ribossomal (RNAr) do protozoário. Os rearranjos estruturais, promovidos pela interação destes derivados, no sítio de ligação do RNAr se assemalham aos encontrados em RNAr bacterianos.…”

“…Dessa forma, sugere-se que o mecanismo de ação desses agentes antileishmaniais se assemelha ao descrito para bactérias. [122][123] De acordo com Shalev e colaboradores (2015), a paromomicina se liga ao sítio A do RNAr através dos anéis I e II, denominados de grupo paromamina. Assim, o anel I interage via ligação de hidrogênio com adenina-1491 (A1491) e guanina-1408 (G1408), e o anel II interage com A1492 e A1493 via interação eletrostática iônica, estabilizando uma conformação em que os nucleotídeos se localizam para fora da porção central da hélice de RNAr.…”

“…Assim, o anel I interage via ligação de hidrogênio com adenina-1491 (A1491) e guanina-1408 (G1408), e o anel II interage com A1492 e A1493 via interação eletrostática iônica, estabilizando uma conformação em que os nucleotídeos se localizam para fora da porção central da hélice de RNAr. [121][122][123][124] Interações semelhantes foram relatadas entre aminoglicosídeos, que apresentam o grupo paromamina, e RNAr bacterianos, indicando que esses dois anéis são essenciais para a interação com ribossomos de procariotos e eucariotos. [121][122][123][124] Em adição, a presença do grupo -OH na posição ' do a el I au e ta a ati idade antileishmania desses compostos, quando comparados com derivados que apresentam o grupo -NH 2 na mesma posição.…”

“…[121][122][123][124] Interações semelhantes foram relatadas entre aminoglicosídeos, que apresentam o grupo paromamina, e RNAr bacterianos, indicando que esses dois anéis são essenciais para a interação com ribossomos de procariotos e eucariotos. [121][122][123][124] Em adição, a presença do grupo -OH na posição ' do a el I au e ta a ati idade antileishmania desses compostos, quando comparados com derivados que apresentam o grupo -NH 2 na mesma posição. 122 Entretanto, os anéis III e IV parecem não apresentar restrições conformacionais relacionadas com pontos de interação com o RNAr de Leishmania, permitindo que o grupo -OH da posição '' do a el III i te aja ta to com nucleotídeos não conservados (e.g., A1491) quanto conservados (e.g., citosina-1407 ; C1407) dentre procariotos e eucariotos.…”

“…122 Entretanto, os anéis III e IV parecem não apresentar restrições conformacionais relacionadas com pontos de interação com o RNAr de Leishmania, permitindo que o grupo -OH da posição '' do a el III i te aja ta to com nucleotídeos não conservados (e.g., A1491) quanto conservados (e.g., citosina-1407 ; C1407) dentre procariotos e eucariotos. [121][122][123][124] Além disso, estudos de SAR, baseados em uma série de aminoglicosídeos 4,5-dissubstituídos, mostram ainda que a substituição do grupo -OH pelo grupo -NH 2 , nesta mesma posição, aumenta a força de ligação e a seletividade em relação ao RNAr de Leishmania, reduzindo a otoxicidade desses compostos. [121][122][123][124][125] Por fim, o anel IV interage via duas interações, do tipo eletrostática iônica, com os átomos de oxigênio do grupo fosfato da guanosina-1405 (G1405).…”