Inhibitors of dihydrofolate reductase (DHFR) have been a mainstay of chemotherapy of falciparum malaria for more than 50 years. Unfortunately, point mutations in DHFR are the major cause of resistance to drugs of this class, and mutations have rapidly diminished the clinical effectiveness of these drugs. We designed a simple yeast-based system to produce and analyze point mutations in the Plasmodium falciparum DHFR domain of the DHFR-thymidylate synthase gene that confer resistance to PM, the major antifolate currently used in malaria treatment, or to WR, an experimental antifolate. We used PCR mutagenesis, screened more than 1000 DHFR alleles that encoded functional enzymes and studied about 100 that were more resistant than a naturally occurring resistant allele (N51I and S108N). The IC50 values for both drugs were determined for a subset of 44 alleles that carried only a single new mutation. Mutations that increased resistance to PM 10-100 fold (to > 10-4) were identified in three regions of the DHFR domain: around amino acids 50, 188, and 213. In contrast, mutations to WR-resistance were far less common, and only conferred about 10-fold resistance (to about 10-7 M). Even more interesting, only the mutations at 188 increased resistance to WR, and mutations in the 213 and other regions either had no effect, or actually increased sensitivity to WR. This collateral hypersensitivity raises the possibility that opposing selection for resistance/sensitivity to PM and WR might be used to slow selection of populations of P.falciparum resistant to antifolate treatment.

Mutation Inventory

  Mutation inventory of Resistant Mutants (standard conditions):                        
                           
                        Tot. # Exp. #
  Name # B1 B2 Cod 1 Cod 2 A.A. 1 A.A. 2 Sil? P Res? W RES? Mut. Mut.
1 M1-A5 213 A T GTA GTT VAL VAL Y Y N 1 0
                           
2 M1-C5 64 T A TAT AAT TYR ASN N Y N 4 3
    72 A G AAA AAG LYS LYS Y        
    74 A C AAA AAC LYS ASN N        
    213 T A GTA GAA VAL GLU N        
                           
3 M1-B9 189 T G AGT AGG SER ARG N Y N 1 1
                           
4 M1-E9 50 T A TGT AGT CYS SER N N Y 4 3
    136 T G TTT TTG PHE LEU N        
    176 A G AAA GAA LYS GLU N        
    229 C G ACG ACC THR THR Y        
                           
5 M2-A4 187 A C ATA ATC ILE ILE N Y Y 1 0
                           
6 M2-E4 107 A G ACA GCA THR ALA N Y Y 3 2
    178 G A TTA TTG LEU LEU Y        
    214 A T TAT TTT TYR PHE N        
                           
                           
7 M2-B9 22 A G AGC GGC SER GLY N Y N 2 1
    190 A T ACA ACT THR THR Y        
                           
8 M2-C9 38 A T AGA AGT ARG SER N Y Y 4 1
    184 T C TTT TTC PHE PHE Y        
    190 T C TTT TTC THR THR Y        
    194 T C GAT GAC ASP ASP Y        
                           
9 M3-B1 214 A T TAT TTT TYR PHE N Y N 1 1
                           
10 M3-C1 53 A G CTA CTG LEU LEU Y N Y 4 3
    116 T A TTT TAT PHE TYR N        
    194 A C GAT GCT ASP ALA N        
    212 T G GAT GAG ASP GLU N        
                           
11 M3-E2 21 A G GAA GGA GLU GLY N Y Y 2 2
    191 T A TAT AAT TYR ASN N        
                           
12 M3-A5 191 T A TAT AAT TYR ASN N Y Y 1 1
                           
13 M3-B6 51* T A ATT AAT     N Y N 2 2
    188 A C AAT ACT ASN THR N        
                           
14 M3-E7 69 A T AAA ATA LYS ILE N N Y 2 2
    191 T C TAT CAT TYR HIS N        
                           
15 M4-B3 190 A C ACA CCA THR PRO N Y Y 1 1
                           
16 M4-E3 191 A T TAT TTT TYR PHE N Y Y 2 1
    201 T C AAT AAC ASN ASN Y        
                           
17 M4-A6 10 A G GAT GGT ASP GLY N Y Y 2 1
    195 A G GTA GTG VAL VAL Y        
                           
18 M4-C6 167 T A TCC ACC SER THR N Y N 1 1
                           
19 M4-A9 67 A T GAA GAT GLU ASP N Y Y 2 2
    190 A G ACA GCA THR ALA N        
                           
20 M5-D2 20 T A GTT GTA VAL VAL Y N Y 2 0
                           
    168 T C GTT GTC VAL VAL Y        
                           
21 M5-B3 95 T C TCT CCT SER PRO N Y Y 2 2
    188 A C AAT ACT ASN THR N        
                           
22 M5-D3 213 T A GTA GAA VAL GLU N Y N 1 1
                           
23 M5-A6 213 T A GTA GAA VAL GLU N Y N 1 1
                           
24 M5-B7 213 T C GTA GCA VAL ALA N Y N 1 1
                           
25 M5-D7 51* T A ATT AAT     N Y Y 2 2
    188 A C AAT ACT ASN THR N        
                           
26 M5-D8 127 T C TTG CGT LEU LEU Y Y Y 3 1
    188 T C AAT AAC ASN ASN Y        
    212 A T GAT GTT ASP VAL N        
                           
27 M6-C2 191 T A TAT AAT TYR ASN N Y N 2 2
    196 T C TTT CTT PHE LEU N        
                           
                           
28 M6-D2 51* T A ATT AAT     N Y Y 2 2
    188 A C AAT ACT ASN THR N        
                           
29 M6-E2 50 T C TGT CGT CYS ARG N Y Y 3 2
    203 T G AAT AAG ASN LYS N        
    209 T C TCT TCC SER SER Y        
                           
                           
30 M6-B6 191 T A TAT AAT TYR ASN N Y N 3 3
                           
    196 T C TTT CTT PHE LEU N        
    218 A C AAT CAT ASN HIS N        
                           
31 M6-B7 18 T A TGT AGT CYS SER N Y Y 2 2
    189 A C AGT CGT SER ARG N        
                           
32 M6-A8 51* T A ATT AAT     N Y Y 2 2
    188 A C AAT ACT ASN THR N        
                           
33 M6-B8 188 A C AAT ACT ASN THR N Y Y 1 1
                           
34 M7-B1 92 A T ATG AAG MET LYS N Y Y 2 2
    189 T G AGT AGG SER ARG N        
                           
35 M7-D1 215 A G ACT GCT THR ALA N Y N 1 1
                           
36 M7-E1 58 T C TGT TGC CYS CYS Y Y N 3 2
    71 A G GAA GGA GLU GLY N        
    214 A T TAT TTT TYR PHE N        
                           
37 M7-E3 NONE               Y N 0 0
                           
38 M8-B1 213 T C GTA GCA VAL ALA N Y N 1 1
                           
39 M8-E1 28 A G AAA AAG LYS LYS Y Y Y 3 0
    75 T C TAT TAC TYR TYR Y        
    188 T C AAT AAC ASN ASN Y        
                           
40 M8-C5 84 A C GAA GCA GLU ALA N Y N 3 3
    135 A G GAT GGT ASP GLY N        
    213 T G GTA GGA VAL GLY N        
                           
41 M9-B1 188 T C AAT AAC ASN ASN Y Y Y 1 0
                           
42 M9-C1 21 A C GAA GCA GLU ALA N Y N 3 3
    196 T C TTT CTT PHE LEU N        
    216 G A AGT ATA SER ILE N        
                           
43 M9-E2 196 T C TTT CTT PHE LEU N N Y 2 1
    209 T C TCT TCC SER SER Y        
                           
44 M10-C1 190 A G ACA GCA THR ALA N Y Y 1 1
                           
45 M10-A3 188 A C AAT ACT ASN THR N Y Y 1 1
                           
46 M10-D8 190 A G ACA GCA THR ALA N N Y 2 1
    209 T C TCT TCC SER SER Y        
                           
47 M11-C2 57 T C TAT CAT TYR HIS N Y N 2 2
    196 T C TTT CTT PHE LEU N        
                           
48 M11-C7 213 T A GTA GAA VAL GLU N Y N 1 1
                           
49 M11-D7 8 T C GTT GTC VAL VAL Y N Y 3 2
    190 A G ACA GCA THR ALA N        
    214 A T TAT TTT TYR PHE N        
                           
50 M12-B3 57 T C TAT CAT TYR HIS N Y N 2 2
    191 T C TAT CAT TYR HIS N        
                           
51 M12-C3 51* T A ATT AAT     N Y N 4 4
    108* A G AAC AGC     N        
    188 A C AAT ACT ASN THR N        
    209 T C TCT CCT SER PRO N        
                           
52 M13-E1 188 A C AAT ACT ASN THR N Y Y 1 1
                           
53 M13-C4 188 T C AAT AAC ASN ASN Y Y N 3 1
    189 T G AGT AGG SER ARG N        
    219 A C ACA ACC THR THR Y        
                           
54 M13-B5 43 A G AAA AAG LYS LYS Y Y Y 3 1
    166 T C GGT GGC GLY GLY Y        
    213 T G GTA GGA VAL GLY N        
                           
55 M13-B5 51* T A ATT AAT     N Y Y 4 4
    108* A G AAC AGC     N        
    188 A C AAT ACT ASN THR N        
    209 T C TCT CCT SER PRO N        
                           
56 M13-E5 213 T G GTA GGA VAL GLY N Y N 1 1
                           
57 M13-C6 51* T A ATT AAT     N Y N 3 3
    188 A C AAT ACT ASN THR N        
    208 T A ATT AAT ILE ASN N        
                           
58 M14-E1 19 T C GTT GTC VAL VAL Y Y Y 3 1
    134 A G GAA GAG GLU GLU Y        
    191 T A TAT AAT TYR ASN N        
                           
59 M14-A4 20 T C GTT GTC VAL VAL Y Y Y 4 2
    51* T A ATT AAT     N        
    57 T C TAT TAC TYR TYR Y        
    188 A C AAT ACT ASN THR N        
                           
60 M14-D6 51* T A ATT AAT     N Y N 3 2
    102 A G GTA GTG VAL VAL Y        
    188 A C AAT ACT ASN THR N        
                           
61 M14-C7 188 A T AAT ATT ASN ILE N Y N 1 1
                           
62 M15B-D1 188 T C AAT AAC ASN ASN Y Y Y 1 0
                           
63 M15B-A2 188 T A AAT AAA ASN LYS N Y Y 1 1
                           
64 M15B-B2 NONE               Y Y 1 0
                           
65 M15B-C2 188 T C AAT AAC ASN ASN Y Y Y 1 0
                           
66 M16B-D1 213 T C GTA GCA VAL ALA N Y Y 1 1
                           
67 M16B-A2 184 T G TTT TGT PHE CYS N Y Y 1 1
                           
68 M16B-E1 46 T C TTA CTA LEU LEU N N Y 1 0
                           
69 M16B-B2 214 A T TAT TTT TYR PHE N Y Y 1 1
                           
70 M16-C2 184 T G TTT TGT PHE CYS N Y Y 1 1
                           
71 M16B-C5 45 T C GTA GCA VAL ALA N Y N 1 1
                           
72 M16B-C8 64 T C TAT CAT TYR HIS N Y N 1 1
                           
73 M17B-A1 215 A G ACT GCT THR ALA N Y Y 1 1
                           
74 M17B-D1 190 A G ACA GCA THR ALA N Y Y 1 1
                           
75 M17B-D2 189 T C AGT AGC SER SER Y Y Y 1 0
                           
76 M17B-A4 188 T C AAT AAC ASN ASN Y Y Y 1 0
                           
77 M17B-E4 190 A G ACA GCA THR ALA N Y Y 1 1
                           
78 M17B-C5 90 T G AAT AAG ASN LYS N Y N 1 1
                           
79 M17B-C9 123 T C ATA ACA ILE THR N Y Y 2 2
    213 T A GTA GGA VAL GLY N        
                           
80 M19B-B1 213 T G GTA GGA VAL GLY N Y N 1 0
                           
81 M19B-E1 188 T C AAT AAC ASN ASN Y Y Y 1 0
                           
82 M19B-C3 188 T C AAT AAC ASN ASN Y Y Y 1 0
                           
83 M20B-B1 188 T C AAT AAC ASN ASN Y Y Y 1 0
                           
84 M20B-D2 190 T C TTT CTT PHE LEU N Y Y 1 1
                           
85 M20B-C4 188 A C AAT ACT ASN THR N Y Y 1 1
                           
86 M20B-A6 196 T C TTT CTT PHE LEU N Y Y 1 1
                           
87 M20B-B8 NONE               Y Y 0 0
                           
88 M21B-B1 188 T C AAT AAC ASN ASN Y Y Y 1 0
                           
89 M21B-C1 190 A C ACA ACC THR THR Y N Y 1 0
                           
90 M21B-B4 196 T C TTT CTT PHE LEU N N Y 1 1
                           
91 M21B-D4 188 T G AAT AAG ASN LYS N Y Y 1 1
                           
92 M21B-E4 185 T C ACT ACC THR THR Y Y Y 1 0
                           
93 M21B-A5 196 T C TTT CTT PHE LEU N Y Y 1 1
                           
94 M21B-A6 NONE               Y Y 0 0
                           
95 M22B-B1 24 A G AAT GAT ASN LYS N Y N 1 0
                           
96 M23B-A1 NONE               Y Y 0 0
                           
97 M23B-C1 153 T G CTT CTG LEU LEU Y Y Y 1 0

Last Updated on 7/19/2000
By Genetics Office