抗フォレートと遺伝的耐性のメカニズムを備えた植物ジヒドロ葉酸レダクターゼを標的化する

葉酸生合成経路とその重要な酵素ジヒドロ葉酸レダクターゼ（DHFR）は、DNA前駆体といくつかのアミノ酸の合成において重要な役割により、薬物開発の一般的な標的です。その重要性にもかかわらず、マラリア寄生虫プラズモジウムの酵素のように、DHFRおよびチミジル酸シンターゼ（TS）ドメインを所有している植物DHFRについてはほとんど知られていません。ここでは、遺伝的ノックアウトラインを使用して、DHFR-TS1またはDHFR-TS2（ただしDHFR-TS3ではなく）のいずれかが種子の開発に不可欠であることを確認しました。抗マラリア性DHFR阻害剤薬物ピリメタミンおよびシクログアニルは、それぞれ予測された基質結合部位の近くでDHFR-TS1およびDHFR-TS2の因果病変を同定した抗マラリア性DHFR阻害剤薬物およびシクログアニルの耐性に対する変異したシロイヌナシ種子をスクリーニングしました。DHFR-TS1のG137D変異とDHFR-TS2のA71V変異によって可能になった植物のさまざまな薬剤耐性プロファイルは、組換えタンパク質を使用した生化学研究と一致し、構造モデルによって説明できました。これらの発見は、植物DHFR-TSの理解に大きな改善を提供し、DHFRは現在商業除草剤の標的を絞っていないため、植物固有の阻害剤がどのように開発されるかを示唆しています。

The folate biosynthetic pathway and its key enzyme dihydrofolate reductase (DHFR) is a popular target for drug development due to its essential role in the synthesis of DNA precursors and some amino acids. Despite its importance, little is known about plant DHFRs, which, like the enzymes from the malarial parasite Plasmodium, are bifunctional, possessing DHFR and thymidylate synthase (TS) domains. Here using genetic knockout lines we confirmed that either DHFR-TS1 or DHFR-TS2 (but not DHFR-TS3) was essential for seed development. Screening mutated Arabidopsis thaliana seeds for resistance to antimalarial DHFR-inhibitor drugs pyrimethamine and cycloguanil identified causal lesions in DHFR-TS1 and DHFR-TS2, respectively, near the predicted substrate-binding site. The different drug resistance profiles for the plants, enabled by the G137D mutation in DHFR-TS1 and the A71V mutation in DHFR-TS2, were consistent with biochemical studies using recombinant proteins and could be explained by structural models. These findings provide a great improvement in our understanding of plant DHFR-TS and suggest how plant-specific inhibitors might be developed, as DHFR is not currently targeted by commercial herbicides.