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Bypassing evolutionary dead ends and switching the rate-limiting step of a human immunotherapeutic enzyme

免疫原性 犬尿氨酸 氨基酸 免疫抑制 犬尿氨酸途径 酶动力学 生物化学 生物 代谢物 限制 化学 色氨酸 计算生物学 癌症研究 遗传学 活动站点 抗体 免疫学 工程类 机械工程
作者
John Blazeck,Christos S. Karamitros,Kyle Ford,Catrina M. Somody,Ahlam Qerqez,Kyle Murray,Nathaniel T. Burkholder,Nicholas Marshall,Anirudh Sivakumar,Weicheng Lu,Bing Tan,Candice Lamb,Yuri Tanno,Menna Y. Siddiqui,Norah Ashoura,Sílvia Coma,Xiaoyan M. Zhang,Karen McGovern,Yoichi Kumada,Yan Zhang,Mark Manfredi,Kenneth A. Johnson,Sheena D’Arcy,Everett Stone,George Georgiou
出处
期刊:Nature Catalysis [Springer Nature]
卷期号:5 (10): 952-967 被引量:11
标识
DOI:10.1038/s41929-022-00856-6
摘要

The Trp metabolite l-kynurenine (KYN) accumulates in numerous solid tumours and mediates potent immunosuppression. Bacterial kynureninases (KYNases), which preferentially degrade KYN, can relieve immunosuppression in multiple cancer models, but immunogenicity concerns preclude their clinical use, while the human enzyme (HsKYNase) has very low activity for KYN and shows no therapeutic effect. Using fitness selections, we evolved a HsKYNase variant with 28-fold higher activity, beyond which exploration of >30 evolutionary trajectories involving the interrogation of >109 variants led to no further improvements. The introduction of two amino acid substitutions conserved in bacterial KYNases reduced enzyme fitness but potentiated rapid evolution of variants with ~500-fold improved activity and reversed substrate specificity, resulting in an enzyme capable of mediating strong anti-tumour effects in mice. Pre-steady-state kinetics revealed a switch in the rate-determining step attributable to changes in both enzyme structure and conformational dynamics. Apart from its clinical significance, our work highlights how rationally designed substitutions can potentiate trajectories that overcome barriers in protein evolution. Immunogenicity concerns preclude the use of bacterial kynureninases for cancer immunotherapy, while the human variant lacks the desired therapeutic effect. A human kynureninase enzyme has now been evolved to reach the activity and substrate specificity of its bacterial counterpart.
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