Inmunología estructural y anotación funcional

Durante las últimas dos décadas, el principal enfoque científico de mi laboratorio ha sido el descubrimiento de estructuras y la anotación funcional de alto rendimiento. Mi laboratorio ha participado directamente en varios programas a gran escala relacionados con el desarrollo de tecnología y aplicaciones de alto rendimiento. Hemos contribuido a los esfuerzos centrados en la anotación a gran escala de la función enzimática, incluido el descubrimiento de nuevos antivirales y nuevos objetivos para controlar los procesos inflamatorios.

Mi laboratorio ha realizado importantes contribuciones al análisis estructural, funcional y mecanístico de las proteínas de superficie celular y secretadas que modulan la inmunidad adaptativa e innata, y hemos desarrollado una serie de plataformas para la evaluación de alto rendimiento de las interacciones proteínicas y sus implicaciones funcionales. Por último, contamos con una serie de programas que dependen del diseño de nuevas selectividades y afinidades para la realización de nuevos productos biológicos que beneficiarán enormemente el trabajo propuesto.

  1. Estrategias para la anotación funcional y el descubrimiento del metabolismo. El número de nuevas secuencias de proteínas deducidas de la secuenciación del genoma sigue creciendo a un ritmo que supera con creces la asignación de funciones mediante genómica comparativa o análisis bioquímico directo. Esta situación da como resultado una gran proporción de secuencias de proteínas no anotadas o mal anotadas que impiden el descubrimiento de nuevas enzimas, actividades y vías metabólicas importantes para (1) comprender las contribuciones del microbioma intestinal a la salud humana, (2) la realización de nuevos procesos químicos para la industria y (3) nuestra comprensión de cuestiones ambientales críticas, incluidos los ciclos globales de nutrientes y la evolución de comunidades microbianas complejas. Para abordar estos desafíos, nuestro laboratorio está ideando estrategias experimentales basadas en los componentes de la proteína de unión a solutos (SBP) de los sistemas de transporte de moléculas pequeñas, ya que el primer paso en una vía catabólica es con frecuencia el paso de un metabolito a través de la membrana celular por la maquinaria de transporte dependiente de SBP. La capacidad de identificar el reactivo inicial (o una molécula estrechamente relacionada) para una vía catabólica proporciona un punto de apoyo inmediato al colocar restricciones significativas en las regiones del espacio químico que deben considerarse y, junto con el conocimiento de los genes colocalizados y corregulados, comienza a definir los detalles de las transformaciones bioquímicas in vivo que operan dentro de la vía metabólica. Utilizando nuestra infraestructura de alto rendimiento, produjimos y examinamos 158 SBP de TRAP contra una biblioteca de moléculas pequeñas mediante fluorimetría de barrido diferencial (DSF). Estos esfuerzos llevaron a la identificación de 40 nuevos ligandos de SBP de TRAP, la generación de anotaciones basadas en experimentos para 2084 SBP individuales en 71 grupos isofuncionales y la definición de numerosas vías metabólicas, incluidas nuevas vías catabólicas para la utilización de etanolamina como única fuente de nitrógeno y el uso de D-Ala-D-Ala como única fuente de carbono1. Se realizaron otros estudios de anotación funcional a gran escala comparables para las superfamilias de isoprenoides sintasa 2 y haloácido deshalogenasa 3.
    1. Vetting MW, Al-Obaidi N, Zhao S, San Francisco B, Kim J, Wichelecki DJ, Bouvier JT, Solbiati JO, Vu H, Zhang X, Rodionov DA, Love JD, Hillerich BS, Seidel RD, Quinn RJ, Osterman AL, Cronan JE, Jacobson MP, Gerlt JA, Almo SC (2015) “Estrategias experimentales para la anotación funcional y el descubrimiento del metabolismo: cribado dirigido de proteínas de unión a solutos y cribado imparcial de metabolomas”. Biochemistry 54, 909-931.
    2. Wallrapp FH, Pan JJ, Ramamoorthy G, Almonacid DE, Hillerich BS, Seidel R, Patskovsky Y, Babbitt PC, Almo SC, Jacobson MP, Poulter CD (2013) “Predicción de la función del subgrupo de poliprenil transferasa en la superfamilia de la isoprenoides sintasa”. Proc Natl Acad Sci USA 110, 196-202.
    3. Huang H, Pandya C, Liu C, Al-Obaidi NF, Wang M, Zheng L, Toews Keating S, Aono M, Love JD, Evans B, Seidel RD, Hillerich BS, Garforth SJ, Almo SC, Mariano PS, Dunaway- Mariano D, Allen KN, Farelli JD. (2015) "Vista panorámica de una superfamilia de fosfatasas a través de perfiles de sustrato". Proc Natl Acad Sci EE.UU. 112, 74-83.
    4. Gizzi AS, Grove TL, Arnold JJ, Jose J, Jangra RK, Garforth SJ, Du Q, Cahill SM, Dulyaninova NG, Love JD, Chandran K, Bresnick AR, Cameron CE, Almo SC (2018) “Un ribonucleótido antiviral natural codificado por el genoma humano”. Nature 558, 610-614.
    5. Funabashi M, Grove TL, Wang M, Varma Y, McFadden ME, Brown LC, Guo C, Higginbottom S, Almo SC, Fischbach MA (2020) “Una vía metabólica para la deshidroxilación de ácidos biliares por el microbioma intestinal”. Nature 582, 566–570.
  2. Infraestructura de producción de proteínas de alto rendimiento. A pesar de una multitud de recientes avances técnicos que aceleran el análisis estructural y funcional de alta resolución de macromoléculas biológicas, la producción de cantidades suficientes de proteínas activas y de buen comportamiento sigue representando el paso limitante en muchos esfuerzos de descubrimiento de estructuras y anotación funcional. Estos desafíos se amplifican cuando se consideran en el contexto de los esfuerzos continuos a gran escala para definir sistemáticamente la estructura, la función y el mecanismo de una amplia gama de macromoléculas, incluidas las proteínas eucariotas multidominio, las proteínas secretadas y los ensamblajes macromoleculares cada vez más grandes. Como parte de nuestros programas en Einstein, hemos establecido plataformas de expresión bacteriana sólidas para el descubrimiento de alto rendimiento de nuevos metabolismos. Único en el grupo Almo es el primer sistema integrado del mundo para la biología funcional y estructural de alto rendimiento de proteínas sensibles al oxígeno. Este recurso ha permitido la recapitulación de todo el proceso de producción y cristalización de proteínas de alto rendimiento dentro de un entorno libre de oxígeno (ver http://www.nysgrc.org/psi3/anaerobic.html). También hemos establecido plataformas de expresión eucariota de alto rendimiento, incluidos sistemas basados en insectos y mamíferos, lo que representa un recurso único en el ámbito académico. Hemos descrito ampliamente las capacidades de nuestras plataformas de producción de proteínas en la literatura4. Estas capacidades se están aprovechando para realizar una amplia gama de tecnologías de plataforma de vanguardia, incluida la eliminación de huérfanos de receptores y ligandos, el descubrimiento de epítopos, la generación de nuevos productos biológicos y el desarrollo de nuevas estrategias de células T específicas de clones para el tratamiento de neoplasias malignas y autoinmunidad.5.
    1. Almo SC, Garforth SJ, Hillerich BS, Love JD, Seidel RD, Burley SK (2013) “Producción de proteínas desde la perspectiva de la genómica estructural: logros y necesidades futuras”. Curr Opin Struct Biol 23, 335-44.
    2. Samanta D, Mukherjee G, Ramagopal UA, Chaparro RJ, Nathenson SG, DiLorenzo TP, Almo SC (2011) “Caracterización estructural y funcional de una molécula monocatenaria de péptido-MHC que modula células T CD8+ activadas y vírgenes”. Proc Natl Acad Sci USA 108, 13682-13687.
  3. Análisis estructural, funcional y mecanístico de la superficie celular y proteínas secretadas que modulan la inmunidad adaptativa e innata. Los receptores de la superficie celular y las moléculas de adhesión son los guardianes de la función celular y son responsables de la detección de señales que surgen de señales ambientales, morfogenéticas y de desarrollo que son fundamentales para la fisiología y patología normales. Cabe destacar que estos receptores y ligandos no solo son objetivos terapéuticos, sino que las versiones solubles de estas moléculas son en sí mismas terapias ampliamente explotadas para el tratamiento de enfermedades autoinmunes, enfermedades infecciosas y neoplasias malignas. La caracterización estructural de alta resolución y los análisis bioquímicos de estos complejos son invaluables desde el punto de vista mecanístico, ya que definen los determinantes químicos y físicos que subyacen a la especificidad, afinidad, estado oligomérico y valencia del receptor:ligando. Hemos realizado contribuciones significativas en estas áreas, incluidas las estructuras de los complejos de CTLA-4:B7-2.6, PD-1:PD-L27, DcR3:TL1A8, DcR3:LIGHT, DcR3:FasL y HVEM:LIGHT, así como B7-H3, B7-H49, TIM-3, NTB-A, CD84, GITRL, TIGIT, CRTAM, nectinas y CD160, todos ellos objetivos potenciales/probados para la inmunoterapia. Estas estructuras definieron los determinantes responsables del reconocimiento receptor:ligando, que se están aprovechando para generar una amplia gama de variantes con propiedades bioquímicas alteradas (por ejemplo, afinidades, selectividades) para investigar el mecanismo y proporcionar nuevos conocimientos funcionales/terapéuticos. Un desafío importante en estos esfuerzos es el hecho de que muchos, si no la mayoría, de los pares receptor:ligando siguen sin definirse y, por lo tanto, no se pueden caracterizar estructuralmente ni explotar para la inmunoterapia. Para abordar este cuello de botella, estamos desarrollando tecnologías de plataforma experimental para la identificación rápida, sistemática y asequible de los socios que interactúan proteína-proteína de la superficie celular y el mapeo de las interfaces de interacción de proteínas. Esta misma plataforma proporciona enfoques poderosos para generar receptores y ligandos coestimuladores con una amplia gama de afinidades y selectividades, que se pueden aprovechar para el diseño de moduladores inmunológicos "ajustables".
    1. Schwartz JC, Zhang X, Fedorov AA, Nathenson SG, Almo SC (2001) “Base estructural para la coestimulación por el complejo humano CTLA-4/B7-2”. Nature 410, 604-608.
    2. Lázár-Molnár E, Yan Q, Cao E, Ramagopal U, Nathenson SG, Almo SC (2008) “Estructura cristalina del complejo entre la muerte programada-1 (PD-1) y su ligando PD-L2”. Proc Natl Acad Sci US A. 105, 10483-10488.
    3. Zhan C, Patskovsky Y, Yan Q, Li Z, Ramagopal U, Cheng H, Brenowitz M, Hui X, Nathenson SG, Almo SC (2011) "Estrategias de señuelo: la estructura del complejo TL1A-DcR3". Estructura 19, 162-171.
    4. Jeon H, Vigdorovich V, Garrett-Thomson SC, Janakiram M, Ramagopal UA, Abadi YM, Lee JS, Scandiuzzi L, Ohaegbulam KC, Chinai JM, Zhao R, Yao Y, Mao Y, Sparano JA, Almo SC, Zang X ( 2014) “Estructura e inmunoterapia contra el cáncer del miembro de la familia B7 B7x”. Representante celular 9, 1089-1098.
    5. Liu W, Garrett SC, Fedorov EV, Ramagopal UA, Garforth SJ, Bonanno JB, Almo SC (2019) “Base estructural del reconocimiento de CD160:HVEM”. Structure 27, 1286-1295.
    6. Ramagopal UA, Liu W, Garrett-Thomson SC, Bonanno JB, Yan Q, Srinivasan M, Wong SC, Bell A, Mankikar S, Rangan VS, Deshpande S, Korman AJ, Almo SC (2019) “Base estructural para la inmunoterapia contra el cáncer mediante el inhibidor de puntos de control de primera clase ipilimumab”. Proc Natl Acad Sci USA 114, E4223-E4232.
    7. Quayle SN, Girgis N, Thapa DR, Merazga Z, Kemp MM, Histed A, Zhao F, Moreta M, Ruthardt P, Hulot S, Nelson A, Kraemer LD, Beal DR, Witt L, Ryabin J, Soriano J, Haydock M, Spaulding E, Ross JF, Kiener PA, Almo SC, Chaparro R, Seidel R, Suri A, Cemerski S, Pienta KJ, Simcox YO. (2020) “CUE-101, una nueva proteína de fusión E7-pHLA-IL2-Fc, mejora la activación de las células T específicas del antígeno tumoral para el tratamiento de neoplasias malignas impulsadas por el VPH16” Clin Cancer Res 26, 1953-1964.


 

Steven Almo

Cátedra Departamento de Bioquímica

Steve Almo