Targeting a-glucosidase for Potential Diabetes Treatment
ANNA FREITAS
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ANNA FREITAS
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Reducing unintended secondary effects remains a major obstacle for researchers tasked with developing new treatments for chronic diseases. A major impediment to generating drugs without side-effects is that these compounds are not always specific to their biological targets. Lack of specificity can cause side-effects when the drug interacts with non-target molecules in a different biological pathway than the intended target. Published this month in Journal of Young Investigators, Kennedy et al. examine the binding of eight small molecules against α-glucosidase — a common drug target for noninsulin‐dependent diabetes mellitus (type II diabetes). By characterizing how α-glucosidase interacts with these small molecules, researchers can develop novel drugs that are more specific to α-glucosidase, with the intent that these drugs treat type II diabetes with fewer side-effects.
α-glucosidase as a target for type II diabetes
Patients with type II diabetes are resistant to insulin, a hormone that helps regulate blood sugar levels by signaling the import of glucose molecules from the blood into cells. Located in the digestive tract lining, α-glucosidase is an enzyme that breaks down starch and releases glucose residues, which are absorbed by the small intestine and transported into the bloodstream. Thus, α-glucosidase inhibitors can delay the absorption of sugar into the blood, which would control blood glucose levels regardless of a patient’s ability to respond to insulin.
Currently, two α-glucosidase inhibitors (acarbose and miglitol) are available as treatments for type II diabetes. Since both inhibitors bind the active site of α-glucosidase, they may bind other proteins with similar active-site chemistry, including enzymes that break down similar sugar residues. Since the inhibitors are not specific to the active site of α-glucosidase, there are side effects of potential gastrointestinal issues in patients taking the inhibitors.
How can researchers create better inhibitors?
Recent advancements in technology have allowed scientists to identify the three-dimensional structure of biomolecules. In a process broadly known as rational-based design, researchers utilize structural modeling to generate novel drugs that are specific to the biomolecule of interest’s structure. Molecular docking, in which the interaction between the biomolecule of interest (typically a protein) and another small molecule (known as the ligand), is the most frequently used technique for rational-based design. The main goals of molecular docking are to assess how and how well the ligand binds at specific sites. In this paper, the researchers used molecular docking to identify non-active sites of α-glucosidase.
Assessing α-glucosidase inhibition
Kennedy et al. used molecular docking to identify where and how α-glucosidase may be inhibited. The first requirement to perform molecular docking was a computational model of the α-glucosidase protein. The authors utilized a homolog of α-glucosidase from the budding yeast, Saccharomyces cerevisiae, as it has previously been shown to be comparable to its human counterpart.
Since the 3-D structure of the yeast homolog is not fully known, the authors generated a computer model based off of isomaltase from yeast, as these proteins share 72% of their sequence identity. Previous studies have also modeled α-glucosidase from S. cerevisiae isomaltase. Because researchers have obtained plentiful information regarding isomaltase’s structure, isomaltase lends itself to a more accurate structural model. From their computational model, the researchers identified seven putative areas, referred to as pockets, where inhibitors might bind α-glucosidase based on the pocket’s size, location, and amino acid composition.
In the docking simulations, the researchers used eight ligands containing a flavonoid moiety that is known to bind to and inhibit α-glucosidase. They evaluated the ability of each of the ligands to bind two of the non-active site pockets of α-glucosidase. For plausible binding to occur, an energetically favorable interaction between the ligand and α-glucosidase must occur. Namely, the predicted thermodynamic potential of binding must be negative.
Of the eight flavonoid derivatives, modeling suggested that it was energetically favorable for five of them — luteolin, quercetin, naringenin, hesperetin, and fisetin — to bind with Pocket Three. That is to say, the shape, polarity, and charge of Pocket Three are complementary to that of the ligands. The authors posit that a key lysine residue in Pocket Three is responsible for stabilizing the interaction between α-glucosidase and the flavonoid derivatives. The combination of this lysine and spatially adjacent residues yields a location for the flavonoid derivatives to bind that is likely more chemically unique than α-glucosidase’s active site. Thus, Pocket Three has the potential to be a site where drugs can be designed to interact with specifically only α-glucosidase and not off-target biomolecules.
Translating α-glucosidase structure to a new diabetes treatment
This preliminary study identifies Pocket Three as a key location that may be targeted by novel ligands to inhibit α-glucosidase. Nonetheless, molecular docking only predicts an interaction between α-glucosidase and the ligands. Future studies are needed to verify the docking of these flavonoids to Pocket Three in a non-computational setting.
Once the interaction between α-glucosidase and the ligands are verified, pharmaceutical chemists can design compounds that are structurally similar to the flavonoid derivatives. This process is based on the assumption that the structurally similar compounds are more complementary to Pocket Three and thus should interact more specifically with α-glucosidase than the previously identified active site inhibitors. These compounds can then be evaluated for their ability to bind and inhibit α-glucosidase. Ideally, scientists would identify a compound that inhibits α-glucosidase but does not interact with other enzymes in the human body. This compound, therefore, could be explored as a potential treatment for type II diabetes and may have fewer side-effects than the existing drugs.
Comunicado de prensa: Apuntando a la a-glucosidasa para un posible tratamiento de la diabetes
Anna Freitas
Iuri Macedo Piovezan
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La reducción de efectos secundarios no deseados sigue siendo un gran obstaculo para los investigadores encargados de desarrollar nuevos tratamientos para enfermedades crónicas. Un impedimento relevante para generar fármacos sin efectos secundarios es que estos compuestos no siempre son específicos a sus objetivos biológicos. La falta de especificidad puede causar efectos secundarios cuando el fármaco interactúa con moléculas no diana en una ruta biológica diferente a la diana prevista. Publicado este mes en Journal of Young Investigators, Kennedy et al. examina la unión de ocho moléculas pequeñas contra la α-glucosidasa, un fármaco común para la diabetes mellitus no insulinodependiente (diabetes tipo II). Al caracterizar cómo interactúa la α-glucosidasa con estas pequeñas moléculas, los investigadores pueden desarrollar nuevos fármacos que sean más específicos a la α-glucosidasa, con la intención de que estos fármacos traten la diabetes tipo II con menos efectos secundarios.
α-glucosidasa como diana para la diabetes tipo II
Los pacientes con diabetes tipo II son resistentes a la insulina, una hormona que ayuda a regular los niveles de azúcar en sangre al señalar la importación de moléculas de glucosa de la sangre a las células. Ubicada en el revestimiento del tracto digestivo, la α-glucosidasa es una enzima que descompone el almidón y libera residuos de glucosa, que son absorbidos por el intestino delgado y transportados al torrente sanguíneo. Por lo tanto, los inhibidores de la α-glucosidasa pueden retrasar la absorción de azúcar en la sangre, lo que controlaría los niveles de glucosa en sangre independientemente de la capacidad del paciente para responder a la insulina. Actualmente, dos inhibidores de la α-glucosidasa (acarbosa y miglitol) están disponibles como tratamientos para la diabetes tipo II. Dado que ambos inhibidores se unen al sitio activo de la α-glucosidasa, dichas sustancias pueden unirse a otras proteínas con una química similar del sitio activo como las enzimas que descomponen residuos de azúcar similares. Ya que los inhibidores no son específicos del sitio activo de la α-glucosidasa, existen efectos secundarios en los pacientes que toman los inhibidores.
¿Cómo pueden los investigadores crear mejores inhibidores?
Avances recientes en la tecnología han permitido a los científicos identificar la estructura tridimensional de las biomoléculas. En un proceso ampliamente conocido como diseño racional, los investigadores utilizan modelos estructurales para generar nuevos fármacos que son específicos de la estructura de la biomolécula de interés. El acoplamiento molecular, en lo cual la interacción entre la biomolécula de interés (normalmente una proteína) y otra molécula pequeña (conocida como ligando), es la técnica más empleada para el diseño basado en la racionalidad. Los principales objetivos del acoplamiento molecular son evaluar cómo y qué tan bien se une el ligando en sitios específicos. En este artículo, los investigadores usaron el acoplamiento molecular para identificar sitios no activos de α-glucosidasa.
Evaluación de la inhibición de la α-glucosidasa
Kennedy et al. utilizaron el acoplamiento molecular para identificar dónde y cómo se puede inhibir la α-glucosidasa. El primer requisito para realizar el acoplamiento molecular fue un modelo computacional de la proteína α-glucosidasa. Los autores utilizaron un homólogo de α-glucosidasa de la levadura en ciernes, Saccharomyces cerevisiae, ya que anteriormente se ha demostrado que es comparable a su contraparte humana.
Dado que la estructura tridimensional del homólogo de la levadura no se conoce por completo, los autores generaron un modelo informático basado en la isomaltasa de la levadura, ya que estas proteínas comparten el 72% de la identidad de su secuencia. Estudios anteriores también han modelado la α-glucosidasa a partir de la isomaltasa de S. cerevisiae. Debido a que los investigadores han obtenido abundante información sobre la estructura de la isomaltasa, se presta a un modelo estructural más preciso. A partir de su modelo computacional, los investigadores identificaron siete áreas putativas, denominados sitios de unión bolsas, donde los inhibidores podrían unirse a la α-glucosidasa según el tamaño, la ubicación y la composición de aminoácidos de la bolsa.
En las simulaciones de acoplamiento, los investigadores utilizaron ocho ligandos que contienen una fracción flavonoide que se sabe que se une e inhibe la α-glucosidasa. Evaluaron la capacidad de cada uno de los ligandos para unirse a dos de los focos del sitio no activo de α-glucosidasa. Para que se produzca una unión plausible, debe producirse una interacción energéticamente favorable entre el ligando y la α-glucosidasa. Es decir, el potencial termodinámico de unión previsto debe ser negativo.
De los ocho derivados de flavonoides, el modelo sugirió que era energéticamente favorable para cinco de ellos (luteolina, quercetina, naringenina, hesperetina y fisetina) unirse con Pocket Three. Es expresar que la forma, polaridad y carga de Pocket Three son complementarias a la de los ligandos. Los autores postulan que un residuo de lisina clave en el bolsillo tres es responsable de estabilizar la interacción entre la α-glucosidasa y los derivados flavonoides. La combinación de esta lisina y residuos espacialmente adyacentes produce un espacio para que se unan los derivados flavonoides que probablemente sea más única químicamente que el sitio activo de la α-glucosidasa. Por lo tanto, Pocket Three tiene el potencial de ser un sitio donde los fármacos pueden diseñarse para interactuar específicamente solo con la α-glucosidasa y no con biomoléculas fuera del objetivo.
Traducir la estructura de la α-glucosidasa a un nuevo tratamiento para la diabetes
Este estudio preliminar identifica a Pocket Three como un sitio clave que puede ser el objetivo de nuevos ligandos para inhibir la α-glucosidasa. No obstante, el acoplamiento molecular solo predice una interacción entre la α-glucosidasa y los ligandos. Se necesitan estudios futuros para verificar el acoplamiento de estos flavonoides a Pocket Three en un entorno no computacional.
Una vez verificada la interacción entre la α-glucosidasa y los ligandos, los químicos farmacéuticos pueden diseñar compuestos que sean estructuralmente similares a los derivados flavonoides. Este proceso se basa en la suposición de que los compuestos estructuralmente similares son más complementarios a Pocket Three y, por lo tanto, deberían interactuar más específicamente con la α-glucosidasa que los inhibidores del sitio activo previamente identificados. A continuación, estos compuestos pueden evaluarse por su capacidad para unirse e inhibir la α-glucosidasa. Idealmente, los científicos identificarían un compuesto que inhibiese a la α-glucosidasa pero que no interactúe con otras enzimas del cuerpo humano. Este compuesto, por lo tanto, podría explorarse como un tratamiento potencial para la diabetes tipo II y puede tener menos efectos secundarios que los medicamentos existentes.