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Structural mechanism underlying the differential effects of ivermectin and moxidectin on the C. elegans glutamate-gated chloride channel GLC-2 - 12/12/21

Doi : 10.1016/j.biopha.2021.112380 
Mark D. Kaji a, , Jennifer D. Noonan a , Timothy G. Geary a, b, Robin N. Beech a
a Institute of Parasitology, McGill University, 21111 Lakeshore Road Sainte-Anne-de-Bellevue, QC H9X 3V9, Canada 
b School of Biological Sciences, Queen’s University – Belfast, 19 Chlorine Gardens, Belfast BT9 5DL, Northern Ireland, United Kingdom 

Correspondence to: 21111 Lakeshore Road Sainte-Anne-de-Bellevue, QC H9X 3V9, Canada.21111 Lakeshore Road Sainte-Anne-de-BellevueQCH9X 3V9Canada

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Abstract

Background and purpose

Nematode glutamate-gated chloride channels (GluCls) are targets of ivermectin (IVM) and moxidectin (MOX), structurally dissimilar macrocyclic lactone (ML) anthelmintics. IVM and MOX possess different pharmacokinetics and efficacy profiles but are thought to have the same binding site, through which they allosterically activate GluCls, apart from the GLC-2 receptor, which is antagonized by IVM. Our goal was to determine GLC-2 sensitivity to MOX, investigate residues involved in antagonism of GLC-2, and to identify differences in receptor-level pharmacology between IVM and MOX.

Experimental approach

Two-electrode voltage clamp electrophysiology was used to study the pharmacology of Caenorhabditis elegans GLC-2 receptors heterologously expressed in Xenopus laevis oocytes. In silico homology modeling identified Cel-GLC-2 residues Met291 and Gln292 at the IVM binding site that differ from other GluCls; we mutated these residues to those found in ML-sensitive GluCls, and those of filarial nematode GLC-2.

Key results

We discovered that MOX inhibits wild-type C. elegans GLC-2 receptors roughly 10-fold more potently than IVM, and with greater maximal inhibition of glutamate activation (MOX = 86.9 ± 2.5%; IVM = 57.8 ± 5.9%). IVM was converted into an agonist in the Met291Gln mutant, but MOX remained an antagonist. Glutamate responses were abrogated in a Met291Leu Gln292Thr double mutant (mimicking filarial nematode GLC-2), but MOX and IVM were converted into positive allosteric modulators of glutamate at this construct.

Conclusions and implications

Our data provides new insights into differences in receptor-level pharmacology between IVM and MOX and identify residues responsible for ML antagonism of GLC-2.

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Graphical Abstract




ga1

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Highlights

GLC-2 is antagonized by MOX more potently and with greater efficacy than IVM.
We identified receptor-level difference between IVM and MOX.
Implicates an effect of GluCl subunit composition on sensitivity to IVM and MOX.
Potential biomarker of interest for drug resistance.

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Abbreviations : GluCl, IVM, MOX, ML

Chemical compounds studied in this article : Ivermectin, 80:20 mixture B1a (PubChem CID: 6321424) and B1b (PubChem CID: 6321425), Moxidectin (PubChem CID: 9832912), Milbemycin oxime (PubChem CID: 145712259), Selamectin PubChem CID: 9578507)

Keywords : Ivermectin, Moxidectin, Glutamate-gated chloride channels, Homology model, Caenorabditis elegans, Electrophysiology


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Vol 145

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