Design, preparation and structural studies of biologically relevant protein variants of cancer-related Carbonic Anhydrase IX

Abstract

4 Abstrakt Lidská karbonát lyáza IX (CA IX) je enzym nadměrně produkovaný v různých typech nádorů, díky čemuž představuje atraktivní cíl pro vývoj protinádorových léčiv. Nádorovým buňkám tento enzym pomáhá udržovat optimální intracelulární pH a okyselováním vnějšího prostředí podporuje růst nádoru. V lidském těle existuje 12 enzymaticky aktivních izoforem karbonát lyáz, které sdílejí sekvenčně a strukturně konzervovanou katalytickou doménu tvořenou převážně β-listy. Přestože je aktivita těchto enzymů účinně inhibovaná látkami obsahující sulfonamidovou funkční skupinu, vysoká sekvenční konzervovanost katalytické domény znesnadňuje návrh inhibitorů selektivních pro CA IX. K vývoji selektivních léčiv by mohl pomoc výzkum specifických vlastností CA IX. CA IX je transmembránový protein typu I tvořící dimer a obsahující unikátní N-koncovou "proteoglycan-like" doménu, mimobuněčnou katalytickou doménu a krátký cytoplazmatický C-koncovým segment. Z výše popsaných důvodů je karbonát lyáza IX předmětem pro strukturou-inspirovaný návrh léčiv. Avšak exprese a purifikace tohoto proteinu ve vysokých výtěžcích, stejně jako jeho krystalizace se ukázala být komplikovaná. Z tohoto důvodu byla připravena varianta CA IX obsahující šest aminokyselinových záměn pro rekombinantní expresi v E. coli. Některé z těchto šesti...

3 Abstract Carbonic anhydrase IX (CA IX) represents an attractive target for the development of anticancer drugs as it is overexpressed in various types of solid tumors. By its catalytic activity, CA IX assists the cancer cells to maintain the optimal intracellular pH and to acidify the extracellular milieu promoting tumor development. There are twelve enzymatically active carbonic anhydrases (CAs) present in human body, all sharing a high sequence identity and a typical β-sheet structural fold of the well-studied catalytic domain. Although, the activity of CAs is efficiently inhibited by sulfonamide-containing compounds, the design of inhibitor selective to the cancer-related CA IX has been hampered by the high sequence conservation. CA IX has several unique features compared to other members of the family, which investigation may help in the development of selective drug compounds. Namely, it is a type I transmembrane dimeric protein with unique N-terminal proteoglycan-like (PG) domain, extracellular catalytic domain, and short cytoplasmic C-terminal segment. The above denoted traits make CA IX subject of structure-based drug design efforts. However, the expression and purification in high yield as well as crystallization experiments has been challenging. Therefore, protein variant bearing six amino acid...