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Unveiling Benznidazole's mechanism of action through overexpression of DNA repair proteins in Trypanosoma cruzi

Authors

  • Matheus Andrade Rajão,

    1. Departamento de Bioquímica e Imunologia, Instituto de Ciências Biológicas, UFMG, Belo Horizonte, Minas Gerais
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    • Matheus Andrade Rajão and Carolina Furtado contributed equally to this work.

  • Carolina Furtado,

    1. Departamento de Bioquímica e Imunologia, Instituto de Ciências Biológicas, UFMG, Belo Horizonte, Minas Gerais
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    • Matheus Andrade Rajão and Carolina Furtado contributed equally to this work.

  • Ceres Luciana Alves,

    1. Departamento de Bioquímica e Imunologia, Instituto de Ciências Biológicas, UFMG, Belo Horizonte, Minas Gerais
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  • Danielle Gomes Passos-Silva,

    1. Departamento de Bioquímica e Imunologia, Instituto de Ciências Biológicas, UFMG, Belo Horizonte, Minas Gerais
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  • Michelle Barbi de Moura,

    1. Departamento de Bioquímica e Imunologia, Instituto de Ciências Biológicas, UFMG, Belo Horizonte, Minas Gerais
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  • Bruno Luiz Schamber-Reis,

    1. Departamento de Bioquímica e Imunologia, Instituto de Ciências Biológicas, UFMG, Belo Horizonte, Minas Gerais
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  • Marianna Kunrath-Lima,

    1. Departamento de Bioquímica e Imunologia, Instituto de Ciências Biológicas, UFMG, Belo Horizonte, Minas Gerais
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  • Aline Araújo Zuma,

    1. Laboratório de Ultraestrutura Celular Hertha Meyer, Instituto de Biofísica Carlos Chagas Filho, Centro de Ciências da Saúde, Universidade Federal do Rio de Janeiro, UFRJ, Cidade Universitária, Ilha do Fundão, Rio de Janeiro, Rio de Janeiro
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  • João Pedro Vieira-da-Rocha,

    1. Departamento de Bioquímica e Imunologia, Instituto de Ciências Biológicas, UFMG, Belo Horizonte, Minas Gerais
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  • Juliana Borio Ferreira Garcia,

    1. Departamento de Biologia Celular e Molecular e Bioagentes Patogênicos, Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto, Universidade de São Paulo, Ribeirão Preto, São Paulo
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  • Isabela Cecília Mendes,

    1. Departamento de Bioquímica e Imunologia, Instituto de Ciências Biológicas, UFMG, Belo Horizonte, Minas Gerais
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  • Sérgio Danilo Junho Pena,

    1. Departamento de Bioquímica e Imunologia, Instituto de Ciências Biológicas, UFMG, Belo Horizonte, Minas Gerais
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  • Andrea Mara Macedo,

    1. Departamento de Bioquímica e Imunologia, Instituto de Ciências Biológicas, UFMG, Belo Horizonte, Minas Gerais
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  • Glória Regina Franco,

    1. Departamento de Bioquímica e Imunologia, Instituto de Ciências Biológicas, UFMG, Belo Horizonte, Minas Gerais
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  • Nadja Cristhina de Souza-Pinto,

    1. Departamento de Bioquímica, Instituto de Química, Universidade de São Paulo, São Paulo, São Paulo
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  • Marisa Helena Gennari de Medeiros,

    1. Departamento de Bioquímica, Instituto de Química, Universidade de São Paulo, São Paulo, São Paulo
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  • Angela Kaysel Cruz,

    1. Departamento de Biologia Celular e Molecular e Bioagentes Patogênicos, Faculdade de Medicina de Ribeirão Preto, Universidade de São Paulo, Ribeirão Preto, São Paulo
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  • Maria Cristina Machado Motta,

    1. Laboratório de Ultraestrutura Celular Hertha Meyer, Instituto de Biofísica Carlos Chagas Filho, Centro de Ciências da Saúde, Universidade Federal do Rio de Janeiro, UFRJ, Cidade Universitária, Ilha do Fundão, Rio de Janeiro, Rio de Janeiro
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  • Santuza Maria Ribeiro Teixeira,

    1. Departamento de Bioquímica e Imunologia, Instituto de Ciências Biológicas, UFMG, Belo Horizonte, Minas Gerais
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  • Carlos Renato Machado

    Corresponding author
    1. Departamento de Bioquímica e Imunologia, Instituto de Ciências Biológicas, UFMG, Belo Horizonte, Minas Gerais
    • Correspondence to: Carlos Renato Machado, Departamento de Bioquímica e Imunologia, Instituto de Ciências Biológicas, UFMG, Belo Horizonte, Minas Gerais, Brazil. E-mail: crmachad@icb.ufmg.br.

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Abstract

Benznidazole (BZ) is the most commonly used drug for the treatment of Chagas disease. Although BZ is known to induce the formation of free radicals and electrophilic metabolites within the parasite Trypanosoma cruzi, its precise mechanisms of action are still elusive. Here, we analyzed the survival of T. cruzi exposed to BZ using genetically modified parasites overexpressing different DNA repair proteins. Our results indicate that BZ induces oxidation mainly in the nucleotide pool, as heterologous expression of the nucleotide pyrophosphohydrolase MutT (but not overexpression of the glycosylase TcOgg1) increased drug resistance in the parasite. In addition, electron microscopy indicated that BZ catalyzes the formation of double-stranded breaks in the parasite, as its genomic DNA undergoes extensive heterochromatin unpacking following exposure to the drug. Furthermore, the overexpression of proteins involved in the recombination-mediated DNA repair increased resistance to BZ, reinforcing the idea that the drug causes double-stranded breaks. Our results also show that the overexpression of mitochondrial DNA repair proteins increase parasite survival upon BZ exposure, indicating that the drug induces lesions in the mitochondrial DNA as well. These findings suggest that BZ preferentially oxidizes the nucleotide pool, and the extensive incorporation of oxidized nucleotides during DNA replication leads to potentially lethal double-stranded DNA breaks in T. cruzi DNA. Environ. Mol. Mutagen. 55:309–321, 2014. © 2013 Wiley Periodicals, Inc.

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