Name: Evaluating Biophysical Assays for Characterizing PROTACS Ternary Complexes (Video) | JoVE
Uploaded: 2024-01-12T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Evaluating Biophysical Assays for Characterizing PROTACS Ternary Complexes at JoVE.com

Questo lavoro è stato supportato da un premio per l'innovazione e lo sviluppo tecnologico del Center for the Development of Therapeutics presso il Broad Institute del MIT e di Harvard. Gli autori desiderano ringraziare i membri del senior leadership team e il comitato di revisione per il loro sostegno a questo lavoro.

Tutte le proteine sono risultate sovraespresse in E.coli con buona resa e purezza (>80%) seguendo i protocolli di letteratura18. La biotinilazione è stata effettuata utilizzando una reazione catalizzata da BirA18. Tutte le piccole molecole sono state preparate in soluzioni madre da 1 mM in DMSO al 100%. Le procedure qui descritte non richiedono attrezzature di sicurezza o precauzioni di laboratorio specializzate. Devono essere utilizzati dispositivi di protezione ...

Characterization of Ternary Complex Formation in PROTACs Using Biophysical Assays

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	<li>Balaji, V., Hoppe, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Regulation+of+E3+ubiquitin+ligases+by+homotypic+and+heterotypic+assembly.">Regulation of E3 ubiquitin ligases by homotypic and heterotypic assembly.</a> F1000Research. 9, (2020).</li><li>Song, L., Luo, Z. -. 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H., Zengerle, M., Testa, A., Ciulli, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Impact+of+target+warhead+and+linkage+vector+on+inducing+protein+degradation:+Comparison+of+bromodomain+and+extra-terminal+(BET)+degraders+derived+from+triazolodiazepine+(JQ1)+and+tetrahydroquinoline+(I-BET726)+BET+inhibitor+scaffolds.">Impact of target warhead and linkage vector on inducing protein degradation: Comparison of bromodomain and extra-terminal (BET) degraders derived from triazolodiazepine (JQ1) and tetrahydroquinoline (I-BET726) BET inhibitor scaffolds.</a> Journal of Medicinal Chemistry. 61 (2), 504-513 (2018).</li><li>Roy, M. 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S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Structural+basis+of+PROTAC+cooperative+recognition+for+selective+protein+degradation.">Structural basis of PROTAC cooperative recognition for selective protein degradation.</a> Nature Chemical Biology. 13 (5), 514-521 (2017).</li><li>Nahta, R., Castellino, R. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Phosphatase+magnesium-dependent+1+&#948;+(PPM1D),+serine/threonine+protein+phosphatase+and+novel+pharmacological+target+in+cancer.">Phosphatase magnesium-dependent 1 &#948; (PPM1D), serine/threonine protein phosphatase and novel pharmacological target in cancer.</a> Biochemical Pharmacology. 184, 114362 (2021).</li><li>Douglass, E. F., Miller, C. J., Sparer, G., Shapiro, H., Spiegel, D. 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P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Plasticity+in+binding+confers+selectivity+in+ligand-induced+protein+degradation.">Plasticity in binding confers selectivity in ligand-induced protein degradation.</a> Nature Chemical Biology. 14 (7), 706-714 (2018).</li></ol>

La caratterizzazione biofisica delle interazioni binarie e ternarie tra le molecole PROTAC e i loro partner di legame proteico può fornire informazioni uniche e complementari relative a sistemi cellulari ampiamente utilizzati. Comprendere l'affinità tra ciascuna testata di una molecola PROTAC e i suoi partner di legame proteico può aiutare a guidare gli sforzi della chimica farmaceutica verso l'ottimizzazione di tali interazioni. Strutture cristalline di complessi ternari PROTAC pubblicate in precedenza hanno rivelato...

La poliubiquitinazione delle proteine nella cellula è un processo strettamente regolato che coinvolge gli enzimi della famiglia delle ubiquitina ligasi 1,2. Gli enzimi terminali nella via sono le ubiquitina ligasi E3 che legano covalentemente le molecole di ubiquitina ai loro partner che legano le proteine3. La poliubiquitinazione di questi partner di legame proteico li indirizza alla degradazione proteolitica da parte del proteasoma4. Questo sistema fa parte del processo di omeostasi proteica che è stato sfruttato terapeuticamente per indurre la degradazione delle proteine coinvolte nella malattia5. Le piccole molecole che inducono l'interazione tra le ubiquitina ligasi E3, come la ligasi E3 di Von Hippel-Lindau (VHL) o il cereblon (CRBN), sono tipicamente composte da una testata legante la ligasi E3 collegata da un linker flessibile a una testata che si lega alla proteina bersaglio per la degradazione. Queste molecole eterobifunzionali sono comunemente indicate come chimere mirate alla proteolisi o PROTACS6.
Lo sviluppo di PROTACS comporta la valutazione della capacità delle molecole di indurre la degradazione delle proteine nelle cellule. Sono stati sviluppati molti sistemi di saggi cellulari che monitorano l'interazione indotta tra la proteina bersaglio e i componenti della ligasi E3, come VHL o CRBN, dopo il trattamento delle cellule con una molecola PROTAC. Uno di questi saggi cellulari, il sistema nanoluc-Halotag7, coinvolge una ligasi E3 fusa all'accettore Halotag e una proteina bersaglio marcata con un donatore nanoluc. La formazione del complesso ternario porta il donatore di nanoluc e l'accettore di Halotag in prossimità, consentendo il trasferimento di energia dal donatore all'accettore con conseguente emissione di luce. Le variazioni di questo sistema possono essere utilizzate per valutare la permeabilità cellulare delle molecole PROTACS8 o i cambiamenti nel livello relativo di ubiquitinazione della proteina bersaglio9. Mentre questi sistemi cellulari sono essenziali per guidare l'ottimizzazione di PROTACS, la formazione di complessi tra le ligasi E3 e le proteine mirate alla degradazione è un processo a più fasi10,11. La cinetica e la termodinamica delle interazioni binarie e ternarie coinvolte contribuiscono all'ubiquitinazione dell'efficienza e alla conseguente degradazione della proteina12,13,14.
Di seguito sono descritti protocolli che possono essere adattati per la caratterizzazione biofisica della formazione di complessi ternari indotti da PROTACS utilizzando la risonanza plasmonica di superficie (SPR), l'interferometria del biostrato (BLI) e la calorimetria di titolazione isotermica (ITC). I protocolli SPR e ITC per la molecola MZ1 PROTAC che induce la formazione di complessi ternari tra Brd4,BD2 e VHL derivati dai rapporti di letteratura13,15 e qui descritti sono stati in grado di ricapitolare i risultati riportati con alcune modifiche alle procedure riportate, che verranno discusse. In questo rapporto è inclusa una descrizione di un saggio BLI utilizzato per valutare la formazione di complessi ternari tra MZI, Brd4BD2 e VHL. Le misurazioni dell'affinità da BLI sono risultate coerenti con quelle osservate in SPR e ITC. Viene inoltre descritto un protocollo precedentemente pubblicato in cui è stato sviluppato un saggio SPR per valutare la formazione di complessi ternari indotti da PROTAC tra PPM1D, una proteina fosfatasi Ser/Thr la cui espressione è indotta in modo p53-dipendente16, e CRBN. In questo caso, la molecola PROTAC ha un'affinità nanomolare per PPM1D ma solo un'affinità micromolare per CRBN. In questo caso, il legame della molecola PROTAC al CRBN non è saturabile, con conseguente "effetto gancio" comunemente osservato. L'effetto gancio è una proprietà di tre sistemi di corpi in cui ci sono due specie che possono formare un complesso eterotrimerico quando entrambe sono legate a una molecola ponte (Figura 1)17. L'effetto gancio si osserva quando la specie ponte è in concentrazione eccessiva rispetto alle altre due specie. Lo stato risultante è quello in cui le interazioni binarie superano le interazioni ternarie. I sistemi in cui si osserva l'effetto gancio richiedono specifiche considerazioni di progettazione sperimentale discusse in questo rapporto. Vengono forniti i concetti generali e i requisiti dei reagenti per la valutazione dell'utilizzo di saggi biofisici per la valutazione della formazione di complessi ternari indotti da PROTAC.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>96-plate</td>
			<td>Greiner</td>
			<td>655076</td>
			<td>flat-bottom, black plates used In BLI experiments</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>96-well plate</td>
			<td>Nunc</td>
			<td>73520-120</td>
			<td>Plate use for ITC sample preparation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>96-well plate</td>
			<td>Greiner</td>
			<td>650101</td>
			<td>Plate used to prepare samples for SPR experiments</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Auto iTC200 micro-calorimeter</td>
			<td>Malvern Panalytical</td>
			<td></td>
			<td>Instrument used to perform ITC experiments. Product discontinued.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Biacore S200</td>
			<td>Cytiva</td>
			<td>29136649</td>
			<td>Instrument used to perform SPR experiments</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MZ1</td>
			<td>ProbeChem</td>
			<td>PC-60099</td>
			<td>PROTAC that binds to VHL and Brd4BD2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NTA sensor chip</td>
			<td>Cytiva</td>
			<td>BR100532</td>
			<td>SPR chip used to perform SPR experiments involving PPM1D</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Octet Red-384</td>
			<td>Sartorius</td>
			<td></td>
			<td>Instrument used to perform BLI experiments. Product discontinued.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Plate cover</td>
			<td>Malvern</td>
			<td>PQA0001</td>
			<td>Cover for Nunc 96-well plate (73520-120)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Plate cover</td>
			<td>Cytiva</td>
			<td>28975816</td>
			<td>Plate cover for Greiner plate (650101)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Series S SA sensor chip</td>
			<td>Cytiva</td>
			<td>BR100531</td>
			<td>SPR chip used to perform SPR experiments involving MZ1:VHL:BRD4</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Streptavidin (SA) Dip and Read Biosensors</td>
			<td>Sartorius</td>
			<td>18-509</td>
			<td>Coated sensors used in BLI experiments</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

the development and application of biophysical assays for evaluating ternary complex formation induced by proteolysis targeting chimeras (protacs)

Le ligasi E3 e le proteine bersaglio della degradazione possono essere indotte a formare complessi da molecole eterobifunzionali in un processo a più fasi. La cinetica e la termodinamica delle interazioni coinvolte contribuiscono all'efficienza dell'ubiquitinazione e alla conseguente degradazione della proteina. Le tecniche biofisiche come la risonanza plasmonica di superficie (SPR), l'interferometria del biostrato (BLI) e la calorimetria di titolazione isotermica (ITC) forniscono informazioni preziose che possono essere utilizzate nell'ottimizzazione di tali interazioni. Utilizzando due sistemi modello, è stato stabilito un kit di strumenti di analisi biofisica per comprendere la cooperatività della formazione di complessi ternari e l'impatto dell'"effetto gancio" sulla cinetica di legame. In un caso, è stata valutata una molecola di chimera mirata alla proteolisi (PROTAC) che induce la formazione di complessi ternari tra Brd4BD2 e VHL. La molecola eterobifunzionale, MZ1, ha affinità nM sia per la proteina Brd4BD2 (SPR K D = 1 nM, ITC K D = 4 nM) che per il complesso VHL (SPR K D = 29 nM, ITC K D = 66 nM). Per questo sistema, sono stati sviluppati robusti saggi SPR, BLI e ITC che hanno riprodotto i risultati pubblicati che dimostrano la cooperatività della formazione di complessi ternari. Nell'altro caso, è stata studiata una molecola che induce complessi ternari tra una proteina da 46,0 kDa, PPM1D, e il cereblon [CRBN (319-442)]. La molecola eterobifunzionale, BRD-5110, ha un SPR K D = 1 nM per PPM1D ma un legame molto più debole contro il complesso CRBN troncato (319-442) (SPR KD = ~ 3 μM). In quel caso, il legame per CRBN in SPR non era saturabile, determinando un "effetto gancio". Sono stati valutati i requisiti di produttività e reagenti per SPR, BLI e ITC e sono state fornite raccomandazioni generali per la loro applicazione ai progetti PROTAC.

The Development and Application of Biophysical Assays for Evaluating Ternary Complex Formation Induced by Proteolysis Targeting Chimeras (PROTACS)

La caratterizzazione del complesso binario VHL: MZ1 e del complesso ternario VHL: MZ1: Brd4BD2 può essere trovata nella Figura 2 (ITC), nella Figura 3 (BLI) e nella Figura 4 (SPR) utilizzando un buffer molto simile. Il KD estratto dai saggi ortogonali è coerente. La cooperatività può essere calcolata con K D (binario) / KD (ternario), che è molto positivo (15 da ITC o 26 da SPR).
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Evaluating Biophysical Assays for Characterizing PROTACS Ternary Complexes (Video) | JoVE

Qui descriviamo i protocolli per la caratterizzazione biofisica della formazione di complessi ternari indotti da chimere mirate alla proteolisi (PROTACS) che coinvolgono le ubiquitina ligasi Von Hippel-Lindau E3 ligasi (VHL) e Cereblon (CRBN). I metodi biofisici qui illustrati includono la risonanza plasmonica di superficie (SPR), l'interferometria del biostrato (BLI) e la calorimetria di titolazione isotermica (ITC).

Lo sviluppo e l'applicazione di saggi biofisici per la valutazione della formazione di complessi ternari indotti da chimere mirate alla proteolisi (PROTACS)

E3 ligases and proteins targeted for degradation can be induced to form complexes by heterobifunctional molecules in a multi-step process. The kinetics ...

La nostra ricerca si concentra sulla replica di sistemi modello consolidati, sulla loro validazione attraverso saggi aggiuntivi e sull'adattamento di queste metodologie per adattarsi al nostro specifico contesto di ricerca. Il nostro obiettivo è quello di dimostrare un approccio versatile che può essere applicato a vari progetti. L'attuale sfida sperimentale, la selezione strategica delle licenze del formato e delle condizioni di analisi appropriate in base ai requisiti specifici del progetto e alle lacune di conoscenza esistenti.Questo è essenziale per ottenere risposte efficienti e accurate nei nostri esperimenti. Il nostro protocollo fornisce un approccio semplificato per un adattamento senza soluzione di continuità ai vari sistemi ProTech. Inoltre, conduciamo una valutazione approfondita di ogni metodo, evidenziandone i rispettivi pro e contro.Offriamo istruzioni informate sulla scelta del formato più adatto in base alle condizioni specifiche.