Protein-Scaffolds als Beispiel für Proteinengineering. von Sebastian Merz

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1 Protein-Scaffolds als Beispiel für Proteinengineering von Sebastian Merz 1

2 Gliederung Allgemeines Scaffoldarten Proteinengineering Vor- und Nachteile Fazit 2

3 Definition Protein Scaffold= Gerüstprotein Künstliche Bindeproteine Polypeptid-Grundgerüst (<200 AS) Fester Strukturgebender Bereich Variabler Bindungsspezifität bestimmender Teil Unterteilt in 2 Arten: -Basierend auf Immunglobuline (Ig-based) -Nicht basierend auf Immunglobuline (Non-Igbased) 3

4 Warum Scaffolds? Einsatzgebiete Bindeproteine: Diagnostik Therapeutika Affinitätschromatographie Goldstandard Bindeproteine: Antikörper Sehr große Moleküle Können starke Immunantworten auslösen Aufwendige und teure Produktion 4

5 Gewünschte Eigenschaften Bindespezifität Einfache und günstige Produktion Thermodynamische Stabilität Therapeutika: Hohe Plasma-Halbwertszeiten Gute Gewebepenetration Keine Immunantwort 5

6 Ig-based-Scaffold Nanobody Abgeleitet aus HCAb aus Kamelen CDR-Regionen der VHH-Kette variabel Größe: ca. 100 As Target: Von Willebrand-Faktor (Blutkrankheiten) Antikörper HCAb 6

7 Ig-based-Scaffold Domain antibody (dab) Besteht aus entweder einer schweren oder einer leichten Kette Größe: 100 As Target: TNF-α (Tumornekrosefaktor) Bispecific T cell Engager (BiTE) 2 Module: Schwere und leichte Kette Ein Modul bindet an Antigene, das andere aktiviert T-Zellen Größe: 500 As 7

8 Non-Ig-based-Scaffold Anticalin Abgeleitet von Lipocalinen Zielmolekül: VEGF Größe 170 As Kann große und kleine Moleküle binden Grundgerüst: β-barrel Variable Domäne: 4 Loops am Eingang 16 AS (Gefäßerweiterung) Anticalin 8

9 Non-Ig-based-Scaffold DARPin Designed Ankyrin Repeat Protein Besteht aus zwei α Helices und einer β-schleife Sieben AS pro Domäne variabel Große Bibliotheken möglich durch Aneinanderreihung Target: VEGF DARPin 9

10 Non-Ig-based-Scaffold AdNectin Basiert auf Fibronektin III Glykoprotein (z.b. Gewebereperatur) Ähnliche Struktur wie Ak Loops zwischen β-strängen variabel 15 As 10

11 Proteinengineering Bestimmung der Strukturgebenden und variablen AS Strukturgebende AS konstant halten, variable verändern Peptidbibliothek Screening der Bibliothek (Phagen/Ribosomen- Display) Scaffolds mit hoher Affinität Günstigere Alternative: In silico Proteinmodelierung (Beispielssoftware: Rosetta-Match) 11

12 Vor und Nachteile von Scaffolds Vorteile Hohe Bindungsspezifität Nachteile Geringe Plasma Halbwertszeit Geringe Produktionskosten Immunogenität? Thermodynamische Stabilität Geringere Größe Wenig Patente 12

13 Fazit Scaffolds bieten neue Antigen-Bindemöglichkeiten Modifikationen zur Verbesserung der Plasma- Halbwertszeit Immogenität kann Probleme erzeugen, jedoch immer besser vorhersehbar 2009: Erstes Scaffold als Therapeutikum gegen hereditäre Angioödem auf dem Markt (Ecallantid) Hemmt Bradykinin Hohes Potential, günstige und flexible Alternative zu Antikörpern, zukunftsträchtige Technologie 13

14 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 15

15 Quellen (1) Novel protein scaffolds as emerging therapeutic proteins: from discovery to clinical proof-ofconcept; Thierry Wurch, Alain Pierre, and Stephane Depil; Institut de Recherches Servier, Oncology R&D Unit, 125 Chemin de Ronde, F Croissy sur Seine, France (2) Alternative binding proteins: Anticalins harnessing the structural plasticity of the lipocalin ligand pocket to engineer novel binding activities;arne Skerra; Lehrstuhl für Biologische Chemie, Technische Universität München, Freising-Weihenstephan, Germany; FEBS Journal 275 (2008) (3) Nanobodies as novel agents for cancer therapy; Hilde Revets, Serge Muyldermans, Patrick De Baetselier; Vrije Universiteit Brussel, Department of Molecular and Cellular Interactions, Laboratory of Cellular and Molecular Immunology, Vlaams Interuniversitair Instituut voor Biotechnologie, Pleinlaan 2, Building E8, B-1050 Brussels; Belgium Article in expert opinion on biological therapy February 2005 (4) Display scaffolds: protein engineering for novel therapeutics; Stewart D Nuttall and Renae B Walsh; Current Opinion in Pharmacology 2008, 8: (5) Introduction to current and future protein therapeutics: A protein engineering perspective; Paul J. Carter; Department of Antibody Engineering, Genentech, Inc., 1 DNA Way, South San Francisco, CA , USA; Experimental Cell Research 2011 ( ) 16

16 Quellen (6) DARPins and other repeat protein scaffolds: advances in engineering and applications; Ykelien L Boersma and Andreas Plückthun; Current Opinion in Biotechnology 2011, 22:

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