Obtention, Biochemical and Structural characterization of a hALDH1A3 mutant and Ovocalyxin-32, and field improvements

Abstract

Les proteïnes son un dels grup biològics de macromolècules més abundants i estan involucrades en gairebé tots els processos que ocorren en un organisme. Poden ser classificades en moltes categories, però un dels criteris més importants és la funció que duu a terme en la cel·lula. Els enzims són proteïnes que incrementen la velocitat de reacció, disminuint l’energia d’activació d’aquesta. La presencia d’enzims permet que es duguin a termes reaccions bioquímiques, que no serien possibles a condicions fisiològiques i/o en el temps requerit. Els projectes desenvolupats en aquesta tesis, engloben principalment dos tipus d’enzims: oxidoreductases i proteases. Oxidoreductases son proteïnes que catalitzen la transferència d’electrons de una molecula reductora, a una d’oxidant. Aquest grup d’enzims sol utilitzar NADP+ i NAD+ com cofactors. Les oxidoreductases és una gran família que engloba diferents tipus d’enzims, que poden ser classificades pel tipus de mecanisme usat pel transport de electrons. Les aldehid deshidrogenases (ALDHs), son un dels tipus de oxidoreductases més importants, responsable de la eliminació d’aldehids tòxic per la cèl·lula. En els últims anys, la seva importància medica ha estat demostrada a causa que diverses patologies humanes són causades per mutacions als gens de les ALDH que causen mal funcionament, absència, inactivació o dèficit de proteina. Les patologies relacionades son varies: diferents tipus de càncers, anormalitats neurològiques i malalties metabòliques, entre altres. ALDH1A3 participa en la síntesi de acid retinoic a parti del retinaldheid, i això l’ha establert com un candidat per al tractament de diferent tipus de càncers. Amb l’objectiu d’obtenir informació útil sobre aquesta proteïna, s’ha dissenyat una variant mutant de la ALDH1A3 que es veu afectat el residu catalitic, El objectiu d’aquesta mutació era realitzar un estudi amb profunditat no solament a nivell cinètic sinó també a nivell estructura. El nostre objectiu era obtenir informació estructural del mutant sol, o bé interaccionant amb el substrat, el cofactor i alguns inhibidors. Aquesta informació pot ser una útil eina pel disseny de nous fàrmacs per mitigar els efectes de l’ALDH1A3 en les patologies en les quals esta involucrades. Les proteases són els enzims responsables de la escissió del enllaç peptídic i degradació proteica. Estan involucrades en diferents processos biològics exercint un rol crític per la supervivència dels organismes. Les proteases engloben una gran família de proteïnes amb la capacitat de hidrolitzar l’enllaç peptídic a diferents posicions. Aquesta tesis es centra en les metal·locarboxipeptidases (MCPs), una subfamília de proteases responsables de la hidròlisi del enllaç peptídic del residu localitzat en el C-terminal de la proteïna. Recentment, les MCPs han esdevingut més rellevants degut a la seva implicació en varies patologies com càncer i epilèpsia , entre altres. Degut a la seva importància tant a nivell biotecnològic com biomèdic, la necessitat de desenvolupar metodologies que ens permetin la seva obtenció de forma recombinant per al seu estudi ha augmentat. Per aquest motiu, en aquesta tesi suggerim un nou protocol millorat i econòmic, per la producció recombinant de MCPs que presentin afinitat per heparina. Una altra molècula important per l’estudi de les MCPs, són els inhibidors. Els inhibidors de MCPs, solen ser petites proteïnes que s’encarreguen de bloquejar l’activitat del enzim, i poden ser usats com a reguladors o fins i tot com a fàrmacs. Inhibidors d’alt pes molecular com la Latexina també han estat descrits, i en aquesta tesis es descriu un inhibidor homòleg a la latexina, extret de closca d’ou. Aquest inhibidor obtingut s’anomena Ovocalyxin-32 is mostra una forta interacció per alguns membres de la família de les MCPs

Las proteínas son uno de los grupos biológicos de macromoléculas más abundantes y están involucradas en casi todos los procesos que se llevan a cargo en el organismo. Pueden ser clasificadas en muchas categorías, pero el criterio más importante es la función que llevan a cabo en la celula. Las enzimas son proteínas que augmentan la velocidad de una reacción, disminuyendo su energía de activación. La presencia de enzimas permite que se lleven a cabo reacciones bioquímicas que no serían posibles en condiciones fisiológicas y/o con el tiempo demandado. Los proyectos desarrollados en esta tesis engloban principalmente dos tipos de enzimas: las oxidorreductasas y las proteasas.

Las oxidorreductasas son proteínas que catalizan la transferencia de electrones de una molécula reductora, a una de oxidante. Este grupo de enzimas sule utilizar NADP+ y NAD+ como cofactores. Las oxidorreductasas es una gran familia de proteínas que engloba diferentes tipos de enzimas, que puede clasificarse por el tipo de mecanismo para llevar a cabo la transferencia de electrones. Las aldehído deshidrogenasas (ALDHs) son uno de los tipos de oxidorreductasas más importantes, responsables de la eliminación de aldehídos tóxicos para la célula. En los últimos años, su importancia medica ha sido demostrada dado que diversas patologías humanas son causadas por mutaciones en los genes de ALDH que causan mal funcionamiento, absencia inactivación o déficit de proteína. Las patologías relacionadas son varias: diferentes tipos de cáncer, anormalidades neurológicas y enfermedades metabólicas, entre otras. La ALDH1A3 participa en la síntesis del ácido retinoico a partir del retinaldehido, y eso la establece como diana terapéutica para el tratamiento de diversos tipos de cáncer. Con el objetivo de obtener mayor información útil sobre esta proteína se diseñó una variante mutante de la ALDH1A3 que tiene afectado el residuo catalítico. El objetivo de dicha mutación era realizar un estudio en profundidad no solo a nivel cinético, sino también a nivel estructural. Nuestro objetivo era obtener información estructural del mutante solo o interaccionando con sustratos, cofactor y algunos inhibidores. Esta información puede resultar una herramienta útil para el diseño de nuevos fármacos que mitiguen los efectos de la ALDH1A3, en las patologías donde se la ve involucrada.

Las proteasas son las enzimas responsables de la hidrolisis del enlace peptídico i degradación proteica. Están involucradas en diferentes procesos biológicos ejerciendo un rol crucial para la supervivencia del organismo. Las proteasas engloban una gran familia de proteínas capaces de hidrolizar el enlace peptídico a diferentes posiciones. Esta tesis se centra en la metalocarboxipeptidasas (MCPs), las cuales son responsables de la hidrólisis del enlace peptídico del residuo localizado en el extremo C-terminal de la proteína. En los últimos años las MCPs han ganado relevancia debido su implicación en varias patologías como cáncer o epilepsia, entre otras.

Debido a su importancia tanto a nivel biotecnológico como a nivel biomédico la necesidad de desarrollar metodologías que nos permitan su producción recombinante para su estudio ha augmentado. Por este motivo, en esta tesis sugerimos un protocolo mejorado y económico, para la reproducción recombinante de MCPs que presenten afinidad a heparina. Otro tipo de molécula importante para el estudio de las MCPs, son sus inhibidores. Los inhibidores de MCPs suelen ser proteínas pequeñas y su función es bloquear la actividad proteasa de las enzimas, actuando de esta forma como regulador e incluso como fármaco. También se han descrito inhibidores de alto peso molecular, como la latexina, y en esta tesi se describe el proceso de obtención de un inhibidor homologo a la latexina, extraído de cascara de huevo. El inhibidor obtenido, es conocido como Ovocalyxin-32, y muestra una fuerte interacción por algunos miembros de las MCPs.

Proteins are one of the most abundant biological groups of macromolecules and are involved in almost all the processes taking place in organisms. They can be classified into many categories, but one of the most important criteria is based on the function that they display in the cell. Enzymes are proteins that increase the reaction rate by lowering the activation energy of a reaction. The presence of enzymes allows biochemical reactions that could not be feasible under physiological conditions and/or in the time required. The projects developed in this thesis involves two types of enzymes: oxidoreductases and proteases.

Oxidoreductases are proteins that catalyse the transfer of electrons from the reductant molecule to the oxidant molecule. This group of enzymes usually utilizes NADP+ or NAD+ as cofactors. Oxidoreductases is a very large family, which englobes different types of enzymes that can be classified according to their functional mechanism used to transport electrons. Aldehyde dehydrogenases (ALDHs) are one of the most important types of oxidoreductases, responsible for the elimination of toxic aldehydes by the cell. In recent years, its medical significance has been demonstrated by the determination that various human pathologies are caused by mutations in ALDH genes that cause malfunction, absence, inactivation, or protein deficiency. The pathologies related are various: many cancers, neurological abnormalities, and metabolic diseases, among others. ALDH1A3 participates in the synthesis of retinoic acid from retinaldehyde, and it has been established as an interesting target for the treatment of different types of cancers. With the aim to obtain useful information about this protein, a mutant variant involving the catalytic residue of ALDH1A3 has been designed. The objective of this mutation was to realize a deep study not only at the kinetical level but also at the structural level. Our objective was to try to obtain structural information on the ALDH1A3 variant alone or by interacting with the substrate, cofactor, and some inhibitors. This information could become a useful tool for the design of new drugs to mitigate the effects of ALDH1A3 in the pathologies in which it is involved.

Proteases are the enzymes responsible for peptide bond cleavage and protein degradation. They are involved in different biological processes playing a crucial role in organism survival. Proteases encompass a large family of proteins with the ability to hydrolase peptide bounds at different position. This thesis focuses on metallocarboxypeptidases (MCPs), a subfamily of proteases responsible for the hydrolysis of the peptide bond of the residue located at the C-terminus of the protein. In recent years, MCPs have become more relevant due to their involvement in various pathologies such as cancer and epilepsy, among others.

Because of their importance at both biotechnological and biomedical levels, the need for developing methodologies that allows us their recombinant obtention for their study has increased. For this reason, in this thesis we suggest a new improved and economical protocol, for the recombinant production of MCPs that have affinity for heparin. Other important molecules for the study of MCPs are the inhibitors. MCPs inhibitors are usually small proteins that are responsible for blocking the activity of the enzyme, and can be used as regulators or even as drugs. High molecular weight inhibitors such as Latexin have also been described, and in this thesis, we describe an inhibitor homologous to latexine, extracted from eggshell. This inhibitor is called Ovocalyxin-32 and shows a strong interaction with some members of the MCPs family.