Submitted by Izabel Franco (izabel-franco@ufscar.br) on 2016-09-20T14:33:37Z No. of bitstreams: 1 TeseDSC.pdf: 4230414 bytes, checksum: d505357e4ed13e446578eb00507beec7 (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-09-21T12:36:04Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseDSC.pdf: 4230414 bytes, checksum: d505357e4ed13e446578eb00507beec7 (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-09-21T12:36:19Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseDSC.pdf: 4230414 bytes, checksum: d505357e4ed13e446578eb00507beec7 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-09-21T12:36:27Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TeseDSC.pdf: 4230414 bytes, checksum: d505357e4ed13e446578eb00507beec7 (MD5) Previous issue date: 2015-06-16 / Não recebi financiamento / Malaria is an acute febrile disease caused by protozoan parasites of the genus Plasmodium, being the species P. falciparum responsible for the most severe forms and deaths caused by the disease. These parasites have developed resistance to commonly used drugs and therefore there is a need to develop new antimalarial agents. Aryltetralone lignans are compounds that show antiplasmodial activity in vitro against P. falciparum, but its mechanism of action is still not fully understood. In this work, we postulate a plausible mode of action of some aryltetralone lignans and according to the obtained results we suggest modifications to the ligands for a better biological activity. In order to achieve our objectives we first performed a search for similar chemical compounds, for which their macromolecular targets were known. From the results obtained, P. falciparum tubulin was selected as a potential target for these lignans. Since there is no experimentally determined three-dimensional structure for this protein, we performed a molecular homology modeling of P. falciparum tubulin and the structure of bovine tubulin complexed with colchicine was selected as template. The analysis of the obtained model showed that the three dimensional structure of Plasmodium tubulin is conserved in relation to the bovine tubulin with some important substitutions occurring in the colchicine binding site region: Ala250B by Ser248B, Ala316B by Cys314B and Ile318B by Met316B. Then, molecular docking of the aryltetralone lignans, colchicine and podophyllotoxin was performed in the modeled P. falciparum tubulin. The docking calculations results allowed to conclude firstly that, although the amino acid substitutions in the binding site, the colchicine binding mode in the P. falciparum tubulin is exactly the same as that already described in the literature for bovine tubulin. As for podophyllotoxin, a different binding mode from that described in the literature for bovine tubulin was obtained due to the replacement of Ala250B by Ser248B and the Val318B by Met316B. For the aryltetralone lignans studied, three different binding modes were obtained: one exhibited by compounds 1, 2 and 3, another by 4 and 6, and a third one by 5. The lignans 1, 2 and 3 are oriented in a way so that the C ring containing the dimethoxy or methylenedioxy group is positioned in the same region obtained for the ring containing the trimethoxy group in the case of colchicine and podophyllotoxin, performing a C-H...π interaction with Leu246B. Lignans 4 and 6 orient themselves with the aromatic ring C between Ala180A and Leu246B and being held in this position by C-H...π interactions. Lignan 5 is oriented with the aromatic ring C between Leu246B and Leu253B, performing C-H...π interactions with these residues, in a similar way to what was obtained with colchicine in this site. So the likely mechanism of action of the aryltetralone lignans studied here would be their binding to the same colchicine binding site in the tubulin protein of P. falciparum and thereby interrupting the divisions and other cellular functions. / A malária é uma doença febril aguda causada por protozoários parasitas pertencentes ao gênero Plasmodium, sendo a espécie P. falciparum a responsável pela maioria das formas severas e mortes pela doença. Estes parasitas desenvolveram resistência aos fármacos comumente utilizados e, portanto, existe a necessidade de se desenvolver novos agentes antimaláricos. Lignanas ariltetralônicas são compostos que apresentam atividade antiplasmodial in vitro contra o P. falciparum, porém seu mecanismo de ação ainda não é totalmente compreendido. Neste trabalho, conseguimos postular o modo de ação de algumas lignanas ariltetralônicas e, a partir dos resultados obtidos, sugerimos modificações nestes compostos de modo a obter uma melhoria na sua atividade biológica. Para isso, primeiramente foi realizada uma busca por compostos químicos semelhantes, cujos alvos macromoleculares eram conhecidos. A partir dos resultados obtidos, selecionou-se a tubulina do P. falciparum como potencial alvo para estas lignanas. Como não há estrutura tridimensional determinada experimentalmente para esta proteína, foi realizada a modelagem molecular por homologia da tubulina do P. falciparum, selecionando como molde a estrutura da tubulina bovina complexada com colchicina. A partir da análise do modelo construído, verificou-se que a estrutura tridimensional da tubulina do Plasmodium é conservada em relação à tubulina bovina e que ocorrem algumas substituições importantes na região do sítio de ligação da colchicina: Ala250B por Ser248B, Ala316B por Cys314B e Ile318B por Met316B. Em seguida, foi realizado o docking molecular das lignanas ariltetralônicas, da colchicina e da podofilotoxina na tubulina do P. falciparum. Os resultados do docking permitiram concluir primeiramente que, embora ocorram algumas substituições de aminoácidos no sítio, o modo de ligação da colchicina na tubulina do P. falciparum é exatamente o mesmo ao já descrito na literatura para a tubulina bovina. Já para a podofilotoxina, foi obtido um modo de ligação diferente do descrito na literatura para a tubulina bovina, devido à substituição da Ala250B pela Ser248B e da Val318B pela Met316B. Para as lignanas ariltetralônicas estudadas, foram obtidos três modos de ligação diferentes: um exibido pelos compostos 1, 2 e 3, outro para 4 e 6 e um terceiro modo exclusivo para 5. As lignanas 1, 2 e 3 orientam-se de modo que o anel C, que contém o grupo dimetóxi ou metilenodióxi, se posiciona na mesma região do sítio obtida para o anel contendo o grupo trimetóxi da colchicina e da podofilotoxina, realizando uma interação C–H...π com a Leu246B. As lignanas 4 e 6 orientam-se com o anel aromático C entre a Ala180A e a Leu246B, sendo mantido nesta posição por interações C–H...π. No caso da lignana 5, esta se orienta com o anel aromático C entre a Leu246B e Leu253B, realizando interações C– H...π com estes resíduos, semelhante ao que foi obtido para a colchicina neste sítio. Assim, o mecanismo provável de ação das lignanas ariltetralônicas aqui estudadas passaria pela sua ligação ao mesmo sítio de ligação da colchicina na proteína tubulina do P. falciparum e, com isso, interrompendo as divisões e outras funções celulares.

As vias de sinalização celular por meio de moléculas são um dos principais meios de controle funcional de um organismo. O entendimento das funções de moléculas sinalizadoras facilita a compreensão das vias metabólicas de um organismo, assim possibilitando uma melhor compreensão de vários eventos biológicos e também de várias doenças. A sinalização pelo ácido retinóico (AR), e seus derivados, é responsável pelo controle de várias funções, por exemplo: crescimento celular, diferenciação celular, formação da retina, desenvolvimento cardíaco e também relacionado a várias patologias como diabetes, obesidades, cânceres, e doenças cardiovasculares. A ação do ácido retinóico é controlada em dois níveis: no metabolismo de síntese/degradação e na sua utilização na sinalização para a expressão gênica. A maquinaria que controla o metabolismo inclui as enzimas de síntese do AR (aldeído desidrogenase ALDH) e as enzimas de degradação do AR (Cyp26), que controlam a distribuição espaço-temporal do AR durante a embriogênese. As ALDHs são enzimas NAD(P)+ dependentes, que oxidam uma ampla gama de aldeídos para os seus correspondentes ácidos carboxílicos, sendo ALDH1A2 a principal enzima na transformação de retinal em ácido retinóico. A maquinaria da sinalização celular por AR contém os receptores nucleares controlados por AR (RARs) que estão envolvidos com o controle da transcrição gênica. Os mecanismos de controle de expressão mais comuns são os que ocorrem na fase transcricional. Um desses mecanismos envolve proteínas que se ligam às regiões promotoras de transcrição, representadas por trechos de DNA que geralmente estão localizados próximo à região de início da transcrição, mas que também podem estar a centenas ou até milhares de pares de bases desse início. Essas proteínas modulam a maquinaria transcricional, podendo ativá-la ou inibi-la. A associação de várias técnicas como a biologia molecular, bioinformática, filogenia, análises estruturais de biomoléculas, mecânica molecular e métodos termodinâmicos tem se mostrado uma poderosa abordagem para compreensão de sistemas biológicos simplificando e agilizando o desenvolvimento do conhecimento científico. Nessa direção, esse estudo desenvolveu duas análises: a primeira estudando a evolução das funções das enzimas ALDH, utilizando-se de técnicas de genômica combinatória, filogenia, bioinformática, estrutura de biomoléculas e de biologia do desenvolvimento, tentando compreender o modo como as ALDHs, que apresentam as seqüências de aminoácidos bastante similares, puderam divergir para gerar funções diversas como a destoxificação e a sinalização. Para este estudo foram analisados os genomas de 487 organismos em busca de seqüências de ALDHs e também o genoma do organismo modelo Branchiostoma floridae. Foram obtidas 190 seqüências que foram utilizadas em uma análise filogenética para tentar compreender a função primordial e também para definir grupos de aminoácidos candidatos a marcadores das diferentes famílias de ALDHs. Essas 190 seqüências também foram modeladas estruturalmente e analisada a forma e o volume do canal onde se aloja o aldeído a ser oxidado. A partir dessas informações foi possível prever que as ALDHs passaram das funções ancestrais de controle do padrão corporal para algo mais abrangente como funções protetoras. A segunda análise, utilizando-se das estruturas tridimensionais dos fatores de transcrição ligados ao DNA em diferentes posições e submetendo esses complexos a processos de mecânica molecular, cálculos termodinâmicos e análises das ligações de hidrogênio para tentar prever os mais prováveis sítios de interação entre os receptores e o DNA. O modelo escolhido para essa análise foram os fatores de transcrição regulados por ácido retinóico o RAR e RXR utilizando a região promotora do gene RARE-2 para avaliar as mais prováveis regiões de ligação desses fatores. Para esse estudo foram construídos 71 complexos proteína-DNA que foram submetidos a processos de mecânica molecular e cálculos termodinâmicos. A partir dessas informações foi possível prever uma região de maior afinidade entre o fator de transcrição e o DNA. As análises de ligações de hidrogênio possibilitaram definir exatamente a região de interação entre os fatores de transcrição e o DNA, e também descrever as interações moleculares responsáveis pela especificidade da interação. / Cellular signaling paths through molecules are one of the main processes of functional control of an organism. The comprehension of signaling molecules functions enables one to understand the metabolic pathways of an organism, along with related biological events and several diseases. The signaling through retinoic acid (RA) and its secondary products is responsible for controlling several functions, such as cellular growth and differentiation, retinas formation and cardio development, and is also related to several pathologies such as diabetes, obesity, cancers and cardiovascular disorders. There are two levels of control of retinoic acid activity: synthesis/degradation metabolism and its use in gene expression signaling. The machinery that controls the metabolism includes RAs synthesis (aldehyde dehydrogenase ALDH) and degradation (Cyp26) enzymes, which control the space-temporal distribution of RA during the embryogenesis. The ALDHs are NAD(P)+ dependent enzymes that oxidize many types of aldehydes into the related carboxylic acids, being the ALDH1A2 the main enzyme involved in the process of transformation of retinal into retinoic acid. The machinery of cellular signaling through RA contains the nuclear receptors controlled by RA (RARs) that are involved in the control of gene transcription. The most common mechanisms of expression control are the ones that occur during the transcriptional phase. One of these mechanisms involves proteins that bind to the transcription promoter regions, represented by DNA sequences that are usually located close to the region where the transcription starts, but can also be hundreds or thousands of base pairs apart from the starting point. These proteins modulate the transcriptional machinery, being responsible for both its activation and inhibition. The association of several techniques as molecular biology, bioinformatics, phylogeny, structural analysis of biomolecules, molecular mechanics and thermodynamic methods has been shown as a powerful tool for the understanding of biological systems, simplifying and speeding up the production of related scientific knowledge. Facing this direction, the present study developed two analyses. The first one studied the evolution of ALDH enzymes functions, using the techniques of combinatory genomic, phylogeny, bioinformatics, structure of biomolecules and developmental biology, in the attempt of understanding how the ALDHs could diverge and acquire different functions as detoxification and signaling, despite the fact that they have very similar aminoacid sequences. For this study, ALDHs sequences were searched for in the genome of 487 organisms plus the model organisms, Branchiostoma floridae. All 190 sequences obtained were used in a phylogenetic analysis, in the attempt of understanding the primordial function of the enzyme and defining possible groups of conserved aminoacids in the different families of ADLHs. These 190 sequences were also structurally modeled and the shape and volume of the channel where the aldehyde is placed to be oxidized were analyzed. Based on this information, it became possible to predict that the ALDHs moved from ancestral functions of corporal pattern control to a wider spectrum of protection functions. For the second analysis we submitted the complex formed by tridimensional structures of the transcriptional factors bond to DNA in different positions to processes of molecular mechanics, thermodynamic calculi and analysis of the hydrogen bonds, in order to predict the most probable sites of interaction between the receptors and the DNA. The model chosen for this analysis were the transcription factors regulated by retinoic acid, RAR and RXR, using the promoter region of the gene RARE-2 to assay the most probable binding regions of these factors. For this study, 71 protein-DNA complexes were built and submitted to processes of molecular mechanics and thermodynamic calculi. Based on the resulting data, it became possible to predict a region of greater affinity between the transcription factor and the DNA. The analyses of hydrogen bonds enabled us to define the exact region where the interaction between the transcription factor and the DNA takes place and also enabled us to describe the molecular interactions responsible for the specificity of this interaction.

As vias de sinalização celular por meio de moléculas são um dos principais meios de controle funcional de um organismo. O entendimento das funções de moléculas sinalizadoras facilita a compreensão das vias metabólicas de um organismo, assim possibilitando uma melhor compreensão de vários eventos biológicos e também de várias doenças. A sinalização pelo ácido retinóico (AR), e seus derivados, é responsável pelo controle de várias funções, por exemplo: crescimento celular, diferenciação celular, formação da retina, desenvolvimento cardíaco e também relacionado a várias patologias como diabetes, obesidades, cânceres, e doenças cardiovasculares. A ação do ácido retinóico é controlada em dois níveis: no metabolismo de síntese/degradação e na sua utilização na sinalização para a expressão gênica. A maquinaria que controla o metabolismo inclui as enzimas de síntese do AR (aldeído desidrogenase ALDH) e as enzimas de degradação do AR (Cyp26), que controlam a distribuição espaço-temporal do AR durante a embriogênese. As ALDHs são enzimas NAD(P)+ dependentes, que oxidam uma ampla gama de aldeídos para os seus correspondentes ácidos carboxílicos, sendo ALDH1A2 a principal enzima na transformação de retinal em ácido retinóico. A maquinaria da sinalização celular por AR contém os receptores nucleares controlados por AR (RARs) que estão envolvidos com o controle da transcrição gênica. Os mecanismos de controle de expressão mais comuns são os que ocorrem na fase transcricional. Um desses mecanismos envolve proteínas que se ligam às regiões promotoras de transcrição, representadas por trechos de DNA que geralmente estão localizados próximo à região de início da transcrição, mas que também podem estar a centenas ou até milhares de pares de bases desse início. Essas proteínas modulam a maquinaria transcricional, podendo ativá-la ou inibi-la. A associação de várias técnicas como a biologia molecular, bioinformática, filogenia, análises estruturais de biomoléculas, mecânica molecular e métodos termodinâmicos tem se mostrado uma poderosa abordagem para compreensão de sistemas biológicos simplificando e agilizando o desenvolvimento do conhecimento científico. Nessa direção, esse estudo desenvolveu duas análises: a primeira estudando a evolução das funções das enzimas ALDH, utilizando-se de técnicas de genômica combinatória, filogenia, bioinformática, estrutura de biomoléculas e de biologia do desenvolvimento, tentando compreender o modo como as ALDHs, que apresentam as seqüências de aminoácidos bastante similares, puderam divergir para gerar funções diversas como a destoxificação e a sinalização. Para este estudo foram analisados os genomas de 487 organismos em busca de seqüências de ALDHs e também o genoma do organismo modelo Branchiostoma floridae. Foram obtidas 190 seqüências que foram utilizadas em uma análise filogenética para tentar compreender a função primordial e também para definir grupos de aminoácidos candidatos a marcadores das diferentes famílias de ALDHs. Essas 190 seqüências também foram modeladas estruturalmente e analisada a forma e o volume do canal onde se aloja o aldeído a ser oxidado. A partir dessas informações foi possível prever que as ALDHs passaram das funções ancestrais de controle do padrão corporal para algo mais abrangente como funções protetoras. A segunda análise, utilizando-se das estruturas tridimensionais dos fatores de transcrição ligados ao DNA em diferentes posições e submetendo esses complexos a processos de mecânica molecular, cálculos termodinâmicos e análises das ligações de hidrogênio para tentar prever os mais prováveis sítios de interação entre os receptores e o DNA. O modelo escolhido para essa análise foram os fatores de transcrição regulados por ácido retinóico o RAR e RXR utilizando a região promotora do gene RARE-2 para avaliar as mais prováveis regiões de ligação desses fatores. Para esse estudo foram construídos 71 complexos proteína-DNA que foram submetidos a processos de mecânica molecular e cálculos termodinâmicos. A partir dessas informações foi possível prever uma região de maior afinidade entre o fator de transcrição e o DNA. As análises de ligações de hidrogênio possibilitaram definir exatamente a região de interação entre os fatores de transcrição e o DNA, e também descrever as interações moleculares responsáveis pela especificidade da interação. / Cellular signaling paths through molecules are one of the main processes of functional control of an organism. The comprehension of signaling molecules functions enables one to understand the metabolic pathways of an organism, along with related biological events and several diseases. The signaling through retinoic acid (RA) and its secondary products is responsible for controlling several functions, such as cellular growth and differentiation, retinas formation and cardio development, and is also related to several pathologies such as diabetes, obesity, cancers and cardiovascular disorders. There are two levels of control of retinoic acid activity: synthesis/degradation metabolism and its use in gene expression signaling. The machinery that controls the metabolism includes RAs synthesis (aldehyde dehydrogenase ALDH) and degradation (Cyp26) enzymes, which control the space-temporal distribution of RA during the embryogenesis. The ALDHs are NAD(P)+ dependent enzymes that oxidize many types of aldehydes into the related carboxylic acids, being the ALDH1A2 the main enzyme involved in the process of transformation of retinal into retinoic acid. The machinery of cellular signaling through RA contains the nuclear receptors controlled by RA (RARs) that are involved in the control of gene transcription. The most common mechanisms of expression control are the ones that occur during the transcriptional phase. One of these mechanisms involves proteins that bind to the transcription promoter regions, represented by DNA sequences that are usually located close to the region where the transcription starts, but can also be hundreds or thousands of base pairs apart from the starting point. These proteins modulate the transcriptional machinery, being responsible for both its activation and inhibition. The association of several techniques as molecular biology, bioinformatics, phylogeny, structural analysis of biomolecules, molecular mechanics and thermodynamic methods has been shown as a powerful tool for the understanding of biological systems, simplifying and speeding up the production of related scientific knowledge. Facing this direction, the present study developed two analyses. The first one studied the evolution of ALDH enzymes functions, using the techniques of combinatory genomic, phylogeny, bioinformatics, structure of biomolecules and developmental biology, in the attempt of understanding how the ALDHs could diverge and acquire different functions as detoxification and signaling, despite the fact that they have very similar aminoacid sequences. For this study, ALDHs sequences were searched for in the genome of 487 organisms plus the model organisms, Branchiostoma floridae. All 190 sequences obtained were used in a phylogenetic analysis, in the attempt of understanding the primordial function of the enzyme and defining possible groups of conserved aminoacids in the different families of ADLHs. These 190 sequences were also structurally modeled and the shape and volume of the channel where the aldehyde is placed to be oxidized were analyzed. Based on this information, it became possible to predict that the ALDHs moved from ancestral functions of corporal pattern control to a wider spectrum of protection functions. For the second analysis we submitted the complex formed by tridimensional structures of the transcriptional factors bond to DNA in different positions to processes of molecular mechanics, thermodynamic calculi and analysis of the hydrogen bonds, in order to predict the most probable sites of interaction between the receptors and the DNA. The model chosen for this analysis were the transcription factors regulated by retinoic acid, RAR and RXR, using the promoter region of the gene RARE-2 to assay the most probable binding regions of these factors. For this study, 71 protein-DNA complexes were built and submitted to processes of molecular mechanics and thermodynamic calculi. Based on the resulting data, it became possible to predict a region of greater affinity between the transcription factor and the DNA. The analyses of hydrogen bonds enabled us to define the exact region where the interaction between the transcription factor and the DNA takes place and also enabled us to describe the molecular interactions responsible for the specificity of this interaction.