Structure-based Solubility Engineering of PTP sigma as Protein Therapeutics

Abstract

Protein tyrosine phosphatase receptor sigma (PTPRS), included in type2 receptor PTPs implicated in neurological diseases, is regarded as a drug target by controlling the PTP signaling pathway. The distinct feature of type 2 receptor PTPs is that they are comprised of immunoglobulin (Ig)-like domains, a transmembrane domain and intracellular domains. The Ig-like domains of type 2 receptor PTPs interact with ligand molecules to regulate signaling pathway through intracellular domains. Thus, the activity of type 2 receptor PTPs can be tuned by regulating interactions between Ig-like domains of PTPs and ligand molecules. The Ig-like domains of PTPRS can be used as a decoy protein by binding to a ligand instead of endogenous PTPRS. However, obtaining sufficient concentration of this protein to use as a drug is restricted by its poor solubility in physiological condition, resulting in low therapeutic efficacy. Drug solubility plays a major role in bioavailability. More than 40% new chemical entities developed in pharmaceutical industry have poor solubility in water. Drug solubility is the important parameter to accomplish desired concentration of drug in systemic circulation for achieving required pharmacological responses. In this study, in order to enhance solubility of Ig-like domain of PTPRS, we searched residues decreasing solubility by structure-based information. Mutagenesis on these residues leaded to increasement in solubility by up to 5-fold than the wild-type PTPRS. In addition, the expression yields were also increased by up to 14-fold, compared to the previous one. The crystal structure of engineered PTPRS showed mutations barely affected the structure of the protein. The function of engineered protein in comparison with wild-type PTPRS was evaluated by hematopoietic stem cell (HSC) colony forming unit (CFC) assay and SH-SY5Y neurite outgrowth assay, demonstrating engineered PTPRS had considerable therapeutic efficacy. These results showed that the engineered PTPRS with high solubility had more potential as a protein drug than the wild-type PTPRS. |신경계 질환에 연루된 Type 2 수용체 PTPs에 포함되는 protein tyrosine phosphatase receptor sigma(PTPRS)는 PTP 신호전달 경로를 조절하기 때문에 약물의 표적으로 여겨집니다. Type 2 수용체 PTP의 특징은 면역글로불린(Ig) 유사 도메인, 막횡단 도메인 및 세포내 도메인으로 구성된다는 것입니다. Type 2 수용체 PTP의 Ig 유사 도메인은 리간드 분자와 상호작용하여 세포내 도메인을 통한 신호 전달 경로를 조절합니다. 따라서, 2형 수용체 PTP의 활성은 PTP의 Ig-유사 도메인과 리간드 분자 사이의 상호작용을 조절함으로써 조정될 수 있습니다. PTPRS의 Ig-유사 도메인은 내인성 PTPRS 대신 리간드에 결합하여 유인 단백질로 사용할 수 있습니다. 그러나, 이 유인 단백질이 약물로 사용하기에 충분한 농도를 얻는 것은 생리학적 조건에서의 낮은 용해도에 의해 제한되기 때문에 낮은 치료 효능을 가집니다. 약물 용해도는 생체 이용률에 중요한 역할을 합니다. 약물 용해도는 필요한 약리학적 반응을 달성하기 위해 전신 순환에서 원하는 약물 농도를 달성하기 위한 중요한 요소입니다. 본 연구에서는 PTPRS의 Ig-like domain의 용해도를 향상시키기 위해 구조 기반 정보를 통해 용해도를 감소시키는 잔기를 검색하였습니다. 이들 잔기에 대한 돌연변이는 야생형 PTPRS보다 최대 5배까지 용해도를 증가시킴과 더불어 발현 수율도 기존 대비 최대 14배 증가시켰습니다. PTPRS돌연변이체의 결정 구조는 돌연변이가 단백질 구조에 거의 영향을 미치지 않는 것으로 나타났습니다. 야생형 PTPRS와 비교하여 돌연변이체의 기능은 조혈 줄기 세포(HSC) 집락 형성 단위(CFC) 분석 및 SH-SY5Y 신경돌기 파생물 분석에 의해 평가되었으며, PTPRS돌연변이체가 상당한 치료 효능을 가지고 있음을 입증했습니다. 이러한 결과는 용해도가 높게 돌연변이된 PTPRS가 야생형 PTPRS보다 단백질 약물로서 더 많은 잠재력을 가짐을 보여주었습니다.