Las proteínas diseñadas ensamblan anticuerpos en nanojaulas modulares

Integrando forma y función para el diseño

Los anticuerpos se utilizan ampliamente en terapias y como herramientas de investigación porque pueden generarse contra una amplia gama de objetivos. La eficacia a menudo se puede aumentar agrupando anticuerpos en conjuntos multivalentes. Adivinar et al. nanocajas de anticuerpos diseñadas a partir de dos componentes: uno es una proteína homooligómica de unión a anticuerpos y el otro es el propio anticuerpo. Las proteínas diseñadas computacionalmente impulsan el ensamblaje de nanocajas de anticuerpos en una variedad de arquitecturas, lo que permite el control de la simetría y la valencia del anticuerpo. La pantalla multivalente mejora la señalización dependiente de anticuerpos, y las nanocajas que muestran anticuerpos contra la proteína de pico del coronavirus 2 (SARS-CoV-2) del síndrome respiratorio agudo severo neutralizan eficazmente el pseudovirus.

Ciencia, este número p. eabd9994

Resumen estructurado

INTRODUCCIÓN

Los anticuerpos que se unen estrechamente a objetivos de interés desempeñan un papel central en la investigación biológica y la medicina. Los grupos de anticuerpos, normalmente generados fusionando anticuerpos con polímeros o uniendo genéticamente fragmentos de anticuerpos, pueden mejorar la señalización. Actualmente faltan enfoques para hacer conjuntos de anticuerpos con una gama de arquitecturas y valencias especificadas con precisión.

RAZÓN FUNDAMENTAL

Nos propusimos diseñar proteínas computacionalmente que ensamblen anticuerpos en arquitecturas precisas con diferentes valencias y simetrías. Desarrollamos un enfoque para diseñar proteínas que colocan anticuerpos o fusiones Fc en los ejes de simetría doble de arquitecturas diédricas y poliédricas regulares. Planteamos la hipótesis de que tales diseños podrían conducir de manera robusta a los anticuerpos arbitrarios en nanocajas homogéneas y estructuralmente bien definidas y que tales ensamblajes podrían tener efectos pronunciados sobre la señalización celular.

RESULTADOS

Los diseños de formación de jaulas de anticuerpos (AbC) se crearon fusionando rígidamente módulos de unión de dominios constantes de anticuerpos a oligómeros cíclicos a través de dominios espaciadores helicoidales de modo que los ejes de simetría del anticuerpo dimérico y el oligómero cíclico estén en orientaciones que generan diferentes diedros o poliédricos (p. Ej., arquitecturas tetraédricas, octaédricas o icosaédricas). Las regiones de unión entre los bloques de construcción conectados se optimizaron para plegarse a las estructuras diseñadas. Los genes sintéticos que codifican los diseños se expresaron en cultivos bacterianos; de 48 diseños estructuralmente caracterizados, ocho conjuntos coincidieron con los modelos de diseño. Los diseños exitosos abarcan las arquitecturas diedro D2 (tres diseños), tetraédrico T32 (dos diseños), octaédrico O42 (un diseño) e icosaédrico I52 (dos diseños); estos contienen 2, 6, 12 o 30 anticuerpos, respectivamente.

Investigamos los efectos de los AbC sobre la señalización celular. Los AbC formados con un anticuerpo dirigido al receptor de muerte indujeron la apoptosis de las líneas de células tumorales que no se vieron afectadas por el anticuerpo soluble o el ligando nativo. La señalización de la vía de la angiopoyetina, la señalización de CD40 y la proliferación de células T se mejoraron mediante el ensamblaje de fusiones de Fc o anticuerpos en AbC. La formación de AbC también mejoró la neutralización viral in vitro de un pseudovirus del coronavirus 2 del síndrome respiratorio agudo severo.

CONCLUSIÓN

Hemos diseñado múltiples proteínas formadoras de jaulas de anticuerpos que agrupan con precisión cualquier anticuerpo que se une a la proteína A en nanocajas con valencia y geometría controladas. Los AbC se pueden formar con 2, 6, 12 o 30 anticuerpos simplemente mezclando el anticuerpo con la proteína diseñada correspondiente, sin necesidad de ninguna modificación covalente del anticuerpo. La incorporación de anticuerpos neutralizantes de virus o de unión al receptor en los AbC mejoró su actividad biológica en una variedad de sistemas celulares. Esperamos que nuestro enfoque rápido y robusto para ensamblar anticuerpos en nanocajas homogéneas y ordenadas sin la necesidad de modificación covalente tenga una amplia utilidad en la investigación y la medicina.

Las proteínas diseñadas ensamblan anticuerpos en grandes arquitecturas simétricas.

Las proteínas de agrupación de anticuerpos diseñadas (gris claro) ensamblan los anticuerpos (violeta) en diversas arquitecturas de nanocajas (arriba). Las nanocajas de anticuerpos mejoran la señalización celular en comparación con los anticuerpos libres (abajo).

IMAGEN: IAN HAYDON, INSTITUTO DE DISEÑO DE PROTEÍNA

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Las proteínas diseñadas ensamblan anticuerpos en grandes arquitecturas simétricas.

Las proteínas de agrupación de anticuerpos diseñadas (gris claro) ensamblan los anticuerpos (violeta) en diversas arquitecturas de nanocajas (arriba). Las nanocajas de anticuerpos mejoran la señalización celular en comparación con los anticuerpos libres (abajo).

IMAGEN: IAN HAYDON, INSTITUTO DE DISEÑO DE PROTEÍNA

Abstracto

La presentación multivalente de anticuerpos o ligandos que se acoplan al receptor puede mejorar su actividad. En lugar de lograr la multivalencia mediante la unión a andamios preexistentes, aquí unimos forma y función mediante el diseño computacional de nanocajas en las que un componente estructural es un anticuerpo o fusión de ligando Fc y el segundo es un homooligómero de unión de anticuerpos diseñado que impulsa la nanocaja. montaje. Las estructuras de ocho nanocajas determinadas por microscopía electrónica que abarcan arquitecturas diedras, tetraédricas, octaédricas e icosaédricas con 2, 6, 12 y 30 anticuerpos por nanocaja, respectivamente, coinciden estrechamente con los modelos computacionales correspondientes. Las nanocajas de anticuerpos que se dirigen a los receptores de la superficie celular mejoran la señalización en comparación con los anticuerpos libres o las fusiones de Fc en la apoptosis mediada por el receptor de muerte 5 (DR5), la angiogénesis mediada por el receptor de angiopoyetina-1 (Tie2), la activación de CD40 y la proliferación de células T. El ensamblaje de nanocage también aumenta la neutralización del pseudovirus del coronavirus 2 (SARS-CoV-2) del síndrome respiratorio agudo severo mediante anticuerpos monoclonales α-SARS-CoV-2 y proteínas de fusión Fc-enzima convertidora de angiotensina 2 (ACE2).

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