Massively parallel, computationally-guided design of a pro-enzyme
Notice bibliographique
Résumé
Abstract Confining the activity of a designed protein to a specific microenvironment would have broad-ranging applications, such as enabling cell type-specific therapeutic action by enzymes while avoiding off-target effects. While many natural enzymes are synthesized as inactive zymogens that can be activated by proteolysis, it has been challenging to re-design any chosen enzyme to be similarly stimulus-responsive. Here, we develop a massively parallel computational design, screening, and next-generation sequencing-based approach for pro-enzyme design. As a model system, we employ carboxypeptidase G2 (CPG2), a clinically approved enzyme that has applications in both the treatment of cancer and controlling drug toxicity. Detailed kinetic characterization of the most effective designed variants shows that they are inhibited by approximately 80% compared to the unmodified protein, and their activity is fully restored following incubation with site-specific proteases. Introducing disulfide bonds between the pro-and catalytic domains based on the design models increases the degree of inhibition to 98%, but decreases the degree of restoration of activity by proteolysis. A selected disulfide-containing pro-enzyme exhibits significantly lower activity relative to the fully activated enzyme when evaluated in cell culture. Structural and thermodynamic characterization provides detailed insights into the pro-domain binding and inhibition mechanisms. The described methodology is general and could enable the design of a variety of pro-proteins with precise spatial regulation. Significance Proteins have shown promise as therapeutics and diagnostics, but their effectiveness is limited by our inability to spatially target their activity. To overcome this limitation, we developed a computationally-guided method to design inactive “pro-enzymes” or “zymogens,” which are activated through cleavage by a protease. Since proteases are differentially expressed in various tissues and disease states, including cancer, these pro-enzymes could be targeted to the desired microenvironment. We tested our method on the therapeutically-relevant protein, carboxypeptidase G2 (CPG2). We designed Pro-CPG2s that are inhibited by 80-98% and are partially to fully re-activatable following protease treatment. The developed methodology, with further refinements, could pave the way for routinely designing protease-activated protein-based therapeutics and diagnostics that act in a spatially controlled manner.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,001 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,000 |
| Communication savante | 0,001 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,001 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,000 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».