Synthetic mimicry of protein binding sites through structure-based design and computational optimization
Final Report Abstract
Synthetische Moleküle, die Bindungs- oder andere funktionell wichtigen Teile von Proteinen abbilden und nachahmen, haben sich als vielversprechende Werkzeuge für unterschiedliche biomedizinische Anwendungen erwiesen, insbesondere für die Inhibition von Protein-Protein-Interaktionen. Solche mimetischen Moleküle können auf der Grundlage der 3D-Struktur der entsprechenden Proteinkomplexe entworfen und chemisch synthetisiert werden. Das Ziel des computergestützten Proteindesigns hingegen ist die Verbesserung von Bindungsaffinität und -spezifität durch gezielte Mutationen an Protein-Protein-Grenzflächen. Ziel dieses Projektes war es, Algorithmen des computergestützten Proteindesigns auf ihre Eignung zur Optimierung auch von synthetischen Proteinbindungsstellenmimetika zu überprüfen. Als Modell sollte dabei die umfassend untersuchte und strukturell aufgeklärte Interaktion der humanen Acetylcholinesterase (hAChE) mit ihrem Inhibitor Fasciculin-2 (Fas), einem sogenannten Dreifingerprotein aus dem Gift der grünen Mamba, dienen. Im Rahmen dieses Projektes ist es gelungen, ausgehend von der Kristallstruktur eines hAChE- Fas-Komplexes, ein Peptid herzustellen, das in micromolaren Konzentrationen spezifisch an Fas bindet. Die computergestützte Optimierung dieses hAChE-mimetischen Peptids resultierte in einer Variante mit lediglich schwach verbesserter Bindung an Fas (KD = 23 µM), so dass eine deutliche Erhöhung der Affinität sicher noch weitere Optimisierungsschritte erfordern wird. Die Bindung des optimierten hAChE-mimetischen Peptids an Fas konnte durch hAChE in subnanomolaren Konzentrationen inhibiert werden, was eine hAChE-spezifische Bindung des Peptids an Fas anzeigt. Darüber hinaus lieferten CD-Spektren des Peptids in An- und Abwesenheit von Fas Hinweise auf eine durch die Bindung an Fas ausgelöste konformationelle Änderung, was ebenfalls auf eine spezifische Bindung schließen läßt.
Publications
- (2011) Multispecific proteins: mechanisms, evolution, and design, Biochemistry 50 (5), 602-611
Erijman A., Aizner Y. and Shifman J. M.
- (2011) Optimizing energy functions for design of protein-protein interfaces, J.Comp.Chem. 32(1) 23-32
Sharabi O., Yanover C., Dekel A., and Shifman J. M.
- (2011) Triathlon for energy functions: is there a winner for the design of protein-protein interactions, Proteins Struc.Funct.Bioinform. 79 (5):1487-1498
Sharabi O., Dekel A. and Shifman J. M.
- (2013) Computational methods for controlling binding specificity. Meth.Enzymol. 523, 41-59
Sharabi O., Erijman A., and Shifman J. M.
- (2013) Predicting affinity- and specificityenhancing mutations at protein-protein interfaces, Biochem.Soc.Trans. 41, 1166-1169
Sharabi, O., Shirian, J., and Shifman, J. M.
- Synthetic peptides mimicking the binding site of human acetylcholinesterase for its inhibitor fasciculin 2. Journal of Peptide Science, Vol 21 Issue 9, September 2015, Pages 723-730
Kafurke, U., Erijman, A., Aizner, Y., Shifman J. M. and Eichler, J.
(See online at https://doi.org/10.1002/psc.2797)
