HTML clipboard The great advances in DNA technology, e.g. sequencing and recombinant DNA techniques, have given us the genetic information and the tools needed to effectively produce recombinant proteins. Recombinant proteins are valuable means in biotechnological applications and are also emerging as alternatives in therapeutic applications. Traditionally, monoclonal antibodies have been the natural choice for biotechnological and therapeutic applications due to their ability to bind a huge range of different molecules and their natural good affinity. However, the large size of antibodies (150 kDa) limits tissue penetration and the recombinant expression is complicated. Therefore, alternative binders with smaller sizes have been derived from antibodies and alternative scaffolds. In this thesis, two structurally similar domains, Zbasic and ABDz1, have been used as purification tags in different contexts. They are both three-helical bundles and derived from bacterial surface domains, but share no sequence homology. Furthermore, by redesign of the scaffold used for ABDz1, a molecule intended for drug targeting with extended in-vivo half-life has been engineered. In Papers I and II, the poly-cationic tag Zbasic is explored and evaluated. Paper I describes the successful investigation of Zbasic as a purification handle under denaturating conditions. Moreover, Zbasic is evaluated as an interaction domain in matrixassisted refolding. Two different proteins were successfully refolded using the same setup without individual optimization. In Paper II, Zbasic is further explored as a purification handle under non-native conditions in a multi-parallel setup. In total, 22 proteins with varying characteristics are successfully purified using a multi-parallel protein purification protocol and a robotic system. Without modifications, the system can purify up to 60 proteins without manual handling. Paper I and II clearly demonstrate that Zbasic can be used as an interaction domain in matrix-assisted refolding and that it offers a good alternative to the commonly used His6-tag under denaturating conditions. In paper III, the small bifunctional ABDz1 is selected from a phage display library. Endowed with two different binding interfaces, ABDz1 is capable of binding both the HSA-sepharose and the protein A-derived MabSelect SuRe-matrix. The bifunctionality of the domain is exploited in an orthogonal affinity setup. Three target proteins are successfully purified using the HSA-matrix and the MabSelect SuRe-matrix. Furthermore, the purity of the target proteins is effectively improved by combining the two chromatographic steps. Thus, paper III shows that the small ABDz1 can be used as an effective purification handle and dual affinity tag without target specific optimization. Paper IV describes the selection and affinity maturation of small bispecific drug-targeting molecules. First generation binders against tumor necrosis factor-α are selected using phage display. Thereafter on-cell surface display and flow cytometry is used to select second-generation binders. The binding to tumor necrosis factor-α is improved up to 30 times as compared to the best first generation binder, and a 6-fold improvement of the binding strength was possible with retained HSA affinity. Paper III and IV clearly demonstrate that dual interaction surfaces can successfully be grafted on a small proteinaceous domain, and that the strategy in paper IV can be used for dual selection of bifunctional binders. / <p>QC20100610</p>

Most bacteriophages release progeny virions at the end of the infection cycle by lysis of the host. Large phages with double-stranded DNA genomes use a multigene strategy based on holins, small membrane proteins, and bacteriolytic enzymes, or endolysins. Holins mediate the control of endolysin activity and thus the timing of lysis. Phages with small genomes only encode a single protein for cell lysis. There are three known unrelated single protein lysis systems: the ?X174 E protein, the MS2 L protein, and the Q? A2 protein. None of these phages encodes a cell wall degrading activity, and previous work has shown that the lytic activity of E stems from its ability to inhibit the host enzyme, MraY, which catalyzes the formation of lipid I, the first lipid intermediate in cell wall synthesis. The purpose of the work described in this dissertation was to characterize the ?X174 E-mediated inhibition of MraY using genetic and biochemical strategies. A fundamental question was why no large phages use the single gene system. This was addressed by constructing a recombinant phage, ?E, in which the holin-endolysin based lysis cassette of ? was replaced with E. ?E was compared with ? in genetic and physiological experiments, with the results indicating that the holin-endolysin system increases fitness in terms of adjusting lysis timing to environmental conditions. Using ?E, physiological experiments were conducted to characterize the interaction between E and MraY in vivo. Transmembrane domains (TMD) 5 and 9 have been identified as the potential E binding site by isolating MraY mutants resistant to E inhibition. The five Eresistant MraY mutants were found to fall into three classes, which reflect the apparent affinity of the mutant proteins for E. Finally, an assay for MraY activity employing the dansylated UDP-MurNAc-pentapeptide and phytol-P, was used to demonstrate the inhibition of MraY by purified E protein. It was determined that E is a non-competitive inhibitor for MraY in respect with both substrates. A model for E-mediated inhibition of MraY was proposed, in which E binds to TMDs 5 and 9 in MraY and thus inactivates the enzyme by inducing a conformational change.

In this study, process development for glucose isomerase (GI) was aimed. In this context, firstly, thermostable xyl genes, PCR amplified from Thermus thermophilus and Pyrococcus furiosus cells, were recombined to the E.coli BL21 (DE3) and P.pastoris strains, respectively. But significant increase in the term of GI activity compared with wild type cells only detected in recombinant E.coli strain so this strain was selected for further experiments. Then, the effect of different natural and artificial inducers on the production of rGI under control of LacUV5 promoter was investigated in laboratory-scale bioreactors. Lactose was shown to be more efficient in the term of operon induction for long time bioprocesses. Thereafter, in order to increase thermostable rGI production rate, to achieve high cell density culture of E.coli BL21 (DE3) pLysS pRSETA::xylT as well as to evade acetate accumulation, the effect of exponential feeding strategy of carbon source on the production of thermostable GI enzyme, cell concentration and acetate formation by recombinant E.coli BL21 (DE3) pLysS was investigated at four sets of fed-batch bioreactor experiments at three different predetermined specific growth rates 0.1 h-1 (M-0.1), 0.15 h-1 (M-0.15), 0.2 h-1 (M-0.2) and a glucose based exponential feeding at specific growth rate of 0.15 h-1(G-0.15) were performed by recombinant E.coli BL21 (DE3) pLysS cells. The highest biomass was obtained in M-0.15 condition as 9.6 kg m&minus / 3 at t=32 h and the highest rGI activity was achieved in M-0.1 operation as A=16399 U L-1 at t=32 h of bioprocess. Moreover, peptide ligand with specific affinity toward histidin-tag peptide was selected by phage display technology. Isothermal titration calorimetry and surface plasmon resonance analyses were carried out to determine peptide-peptide interaction properties.

Regulation of transcription initiation is the major determining event employed by the cell to control gene expression and subsequent cellular processes. The weak promoters, with low basal transcription activities, are activated by activators. Bacteriophage Mu mom gene, which encodes a unique DNA modification function, is detrimental to cell when expressed early or in large quantities. Mu has designed a complex, well-controlled and orchestrated regulatory network for mom expression to ensure its synthesis only in late lytic cycle. The phage encoded transcription activator protein C activates the gene by promoter unwinding of the DNA and thereby recruiting of RNAP to the promoter. C protein functions as a dimer for DNA binding and transcription activation. Mutagenesis and chemical crosslinking studies revealed that the leucine zipper motif, and not the coiled coil motif in the N terminal region, is responsible for C dimerization. The DNA binding domain of C is a HTH domain which is preceded by the leucine zipper motif. The C protein is one of the few examples in the bacterial proteins containing both leucine zipper and HTH domain. Most of the transcription activators either influence initial binding of RNAP or conversion of closed to open complex formation. Very few activators act at subsequent steps of promoter-polymerase interaction. Earlier studies showed high level of transcription from a mutant mom promoter, tin7. Addition of C further increased transcription from Ptin7 indicating that C may have a role beyond polymerase recruitment. Each steps of transcription initiation have been dissected using the Ptin7 and a positive control (pc) mutant of C, R105D. The results revealed multi-step transcription activation mechanism for C protein at Pmom. C recruits RNAP at Pmom and subsequently increases the productive RNAP-promoter complex and enhances promoter clearance. To further understand the C mediated transactivation mechanism, interaction between C and RNAP was assessed. C interacts with holo and core RNAP only in presence of DNA. Positive control mutants of C, F95A and R015D, were found to be compromised in RNAP interactions. These mutants were efficient in RNAP recruitment to Pmom but do not enhance promoter clearance. Trypsin cleavage protection experiment indicated that probably C protein interacts with b¢ subunit of RNAP. Interaction between C and RNAP appears to enhance the formation of productive RNAP-promoter complex leading to promoter clearance. The connection between activator-polymerase interaction and transcription activation is well documented where the recruitment of RNAP is influenced. In case of activators acting at post recruitment steps of initiation, the role of polymerase contact is poorly understood. Our study shows that activator-polymerase interaction can lead to increased promoter clearance at Pmom by overcoming abortive initiation.

L'appareil de Golgi est un organite central du réseau des voies de transport intracellulaire des cellules eucaryotes. L'étude de son fonctionnement dynamique complexe nécessite le développement de nouveaux outils. J'ai donc suivi plusieurs stratégies en parallèle pour proposer de nouvelles approches d'étude de l'appareil de Golgi. <br />Tout d'abord, j'ai utilisé la technique d'Interférence ARN, qui permet d'inhiber l'expression d'une protéine d'intérêt, et ainsi révélé la complexité de la régulation du transport golgien par la GTPase Rab6. <br />Ensuite, j'ai suivi une stratégie reposant sur l'imagerie in vivo du désassemblage et du réassemblage de l'appareil de Golgi au cours de la mitose, et ainsi mis en évidence une étape particulière du désassemblage golgien. <br />Enfin, le cœur de ma thèse a consisté en la production d'anticorps recombinants dirigés contre des protéines golgiennes par Phage Display, et le développement de leur utilisation pour tracer le comportement des protéines-cibles in vivo.

Affinity proteins are invaluable tools in biotechnological and medical applications. This thesis is about combinatorial protein engineering principles for the generation of novel affinity proteins to purify mouse immunoglobulin, detect a potential cancer marker protein or inhibit a cell proliferation pathway. In a first study, ribosome display was for the first time applied to the selection of so-called affibody molecules, including the design of a ribosome display gene cassette, initial test enrichment experiments and the selection of binders against murine IgG1. One of the selected binders (ZMAB25) showed a highly selective binding profile to murine IgG1, which was exploited in the recovery of two different mouse monoclonal IgG1 antibodies from a bovine immunoglobulin-containing background. Ribosome display was further applied to the selection of affibody molecules binding to SATB1, a suggested marker protein for metastasizing adenocarcinoma. The study also included the selection of VHH antibody fragments from a naïve gene repertoire displayed on phage. Binders from both classes of protein scaffolds could be isolated that selectively recognized SATB1 but not its close homologue SATB2, and were used to detect endogenous SATB1 in Jurkat cells by immunofluorescence microscopy. The well-established phage display technology was used to select affibody molecules binding to H-Ras and Raf-1, both involved in the mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathway and playing a central role in the control of cell proliferation, survival and differentiation. An isolated affibody molecule denoted ZRAF322 was found to selectively bind to Raf-1 and inhibit the interaction between H-Ras and Raf-1 in vitro. In a continued effort, ribosome display was applied to the affinity maturation of the ZRAF322 variant in a novel approach, based on repetitive cycles of diversification by error-prone PCR of the entire affibody gene and ribosome display selection, mimicking the principles of natural evolution. The method involved a monitoring of the progress of evolution and variants of ZRAF322 with 13- to 26-fold improved affinities were obtained, that contained different combinations of single or double amino acid substitutions in either previously randomized or framework positions. Implications of the substitutions for binder stability and selectivity were also investigated, showing that a higher affinity could be associated with a lower thermal melting point and that affinity-improved variants showed uncompromised binding selectivity to the hRaf-1 target. / QC 20110506

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Les travaux décrits dans ce mémoire ont pour objectif d'une part le développementd'une nouvelle famille de protéines artificielles et d'autre part la création de nouveaux sitesde fixation spécifiques dans ces protéines. L'objectif général était de développer une approchegénérale permettant d'obtenir rapidement des protéines reconnaissant toute macromoléculecible choisie. On peut voir ces protéines artificielles spécifiques comme des sortes d'anticorpsartificiels pour leur spécificité et leur affinité mais dont les propriétés physiques : stabilité,solubilité, efficacité d'expression, insensibilité à l'agrégation sont nettement plus favorablesque celles des anticorps et de leur dérivés.Le premier chapitre, présente la conception et la construction d'une bibliothèque deprotéines artificielles dite de première génération où les protéines sont formées par larépétition d'un motif idéalisé à partir d'une famille de motifs naturels appelés HEAT repeats.Toutes les protéines de la bibliothèque, dénommées αRep, sont conçues pour avoir la mêmearchitecture générale mais diffèrent les unes des autres par le nombre de motifs et par laséquence dans certaines positions rendues variables au sein de chaque motif. Cette banquenous a permis de valider l'architecture αRep choisie : Les protéines s'expriment sous formesoluble, sont très stables et adoptent la structure secondaire et tertiaire attendue quel que soitla séquence des positions hypervariables. Le second chapitre présente alors les approchessuivies pour l'amélioration de la qualité et de la diversité de la bibliothèque et a conduit à laconstruction d'une bibliothèque d'αRep de deuxième génération. Cette dernière bibliothèque(2 .1) repose sur le même schéma général mais contient une diversité ayant été optimiséelors de la conception puis améliorée expérimentalement par une procédure dite deFiltration/shuffling. Cette bibliothèque très diverse (1.7*109 clones indépendants) a été alorsexploitée pour y rechercher, par des méthodes d'exposition sur phages, de nouvelles αRepreconnaissant des protéines cibles préalablement choisies. L'ensemble des résultats montretrès clairement que des αRep reconnaissant spécifiquement, avec une affinité élevée, desprotéines cibles choisies arbitrairement peuvent être effectivement obtenues. Les structurestridimensionnelles de plusieurs complexes formés entre les αRep et leur cible a été résoluepermet de comprendre la nature et l'organisation précise de ces capacités de reconnaissancemoléculaire nouvellement créées.

Lorsqu'il est surexprimé ou activé constitutivement par mutation, le récepteur tyrosine kinase KIT est impliqué dans le développement de pathologies prolifératives comme les mastocytoses, les tumeurs stromales gastro-intestinales (GIST) et certaines leucémies. La voie de signalisation KIT représente donc une cible thérapeutique majeure en oncologie. Le développement d'une nouvelle classe de molécules pharmacologiques appelées inhibiteurs de tyrosine kinase (ITK) est en plein essor. Un exemple majeur d'ITK est l'imatinib qui cible, entre autre, KIT et est efficace dans la plupart des GIST. Cependant, le traitement aux ITK est souvent confronté au phénomène de résistance primaire ou acquise par mutation secondaire. C'est pourquoi nous cherchons à développer de nouveaux composés ciblant KIT ou les voies de transductions activées par ses formes oncogéniques, et ce par 3 approches.Nous avons récemment montré que les mutants oncogéniques de KIT ont une localisation intracellulaire alors que KIT sauvage est exprimé à la membrane. L'inhibition de l'activité kinase des mutants restaure une localisation normale. A partir de cette observation, nous avons créé et validé un test de criblage par cytométrie mesurant la relocalisation de KIT muté à la surface cellulaire. Le criblage d'une chimiothèque nous a permis de sélectionner de nouveaux inhibiteurs de la signalisation KIT actifs sur des lignées cellulaires mutées pour KIT.Nous avons utilisé la technique du phage display pour sélectionner des anticorps au format scFv et VHH spécifiques de la partie intracellulaire de KIT mutant. Lors de leur expression dans le cytosol (on parle alors d'intrabodies), leur fixation au niveau de KIT inhibe soit directement l'activité kinase, soit le recrutement de partenaires de signalisation. Nous avons obtenu des intrabodies de différentes spécificités vis-à-vis des formes de KIT dont la caractérisation fonctionnelle est en cours Les intrabodies inhibiteurs seront utilisés pour cribler des chimiothèques par ELISA. Les molécules chimiques recherchées empêcheront la fixation des intrabodies sur la région intracellulaire de KIT. On sélectionnera donc des molécules inhibant potentiellement l'oncogénicité de KIT.Nous avons développé des anticorps au format scFv-Fc par phage display qui reconnaissent le domaine extracellulaire de KIT. Deux des anticorps sélectionnés inhibent donc la signalisation induite par le SCF. Dans des lignées de leucémie exprimant KIT WT, nous avons montré que l'utilisation de ces anticorps entraîne une diminution de la viabilité cellulaire. De plus, ils diminuent également la prolifération de lignées de leucémie à mastocytes sensibles et résistantes à l'imatinib (HMC11 et HMC12, respectivement). Ils représentent donc des outils thérapeutiques potentiels pour le traitement des pathologies impliquant KIT ainsi que pour contourner la résistance aux ITK de certains mutants.

Lorsqu'il est surexprimé ou activé constitutivement par mutation, le récepteur tyrosine kinase KIT est impliqué dans le développement de pathologies prolifératives comme les mastocytoses, les tumeurs stromales gastro-intestinales (GIST) et certaines leucémies. La voie de signalisation KIT représente donc une cible thérapeutique majeure en oncologie. Le développement d'une nouvelle classe de molécules pharmacologiques appelées inhibiteurs de tyrosine kinase (ITK) est en plein essor. Un exemple majeur d'ITK est l'imatinib qui cible, entre autre, KIT et est efficace dans la plupart des GIST. Cependant, le traitement aux ITK est souvent confronté au phénomène de résistance primaire ou acquise par mutation secondaire. C'est pourquoi nous cherchons à développer de nouveaux composés ciblant KIT ou les voies de transductions activées par ses formes oncogéniques, et ce par 3 approches.Nous avons récemment montré que les mutants oncogéniques de KIT ont une localisation intracellulaire alors que KIT sauvage est exprimé à la membrane. L'inhibition de l'activité kinase des mutants restaure une localisation normale. A partir de cette observation, nous avons créé et validé un test de criblage par cytométrie mesurant la relocalisation de KIT muté à la surface cellulaire. Le criblage d'une chimiothèque nous a permis de sélectionner de nouveaux inhibiteurs de la signalisation KIT actifs sur des lignées cellulaires mutées pour KIT.Nous avons utilisé la technique du phage display pour sélectionner des anticorps au format scFv et VHH spécifiques de la partie intracellulaire de KIT mutant. Lors de leur expression dans le cytosol (on parle alors d'intrabodies), leur fixation au niveau de KIT inhibe soit directement l'activité kinase, soit le recrutement de partenaires de signalisation. Nous avons obtenu des intrabodies de différentes spécificités vis-à-vis des formes de KIT dont la caractérisation fonctionnelle est en cours Les intrabodies inhibiteurs seront utilisés pour cribler des chimiothèques par ELISA. Les molécules chimiques recherchées empêcheront la fixation des intrabodies sur la région intracellulaire de KIT. On sélectionnera donc des molécules inhibant potentiellement l'oncogénicité de KIT.Nous avons développé des anticorps au format scFv-Fc par phage display qui reconnaissent le domaine extracellulaire de KIT. Deux des anticorps sélectionnés inhibent donc la signalisation induite par le SCF. Dans des lignées de leucémie exprimant KIT WT, nous avons montré que l'utilisation de ces anticorps entraîne une diminution de la viabilité cellulaire. De plus, ils diminuent également la prolifération de lignées de leucémie à mastocytes sensibles et résistantes à l'imatinib (HMC11 et HMC12, respectivement). Ils représentent donc des outils thérapeutiques potentiels pour le traitement des pathologies impliquant KIT ainsi que pour contourner la résistance aux ITK de certains mutants.