Orientador: Prof. Dr. Luciano Puzer / Tese (doutorado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Biossistemas, 2018. / Serpinas sao proteinas inibidoras de serino-proteases, responsaveis pelo controle dos mais diversos processos fisiologicos e que cujo mecanismo de inibicao consite em formar um complexo covalente com a enzima alvo, em um processo de inibicao irreversivel. A alca de centro reativo (RCL) e responsavel por interagir com a protease, mimetizando um substrato, e quando clivada se insere como uma ¿À-fita no interior da serpina, trazendo a protease e causando uma distorcao no seu sitio ativo. Como as serpinas forma ligacoes covalentes com seus alvos durante a inibicao, essas proteinas tem sido utilizadas para o estudo do mecanismo de hidrolise das serino-proteases. No entanto, elas tambem oferecem a possibilidade do desenvolvimento de novas drogas contra enzimas relacionadas com patologias, como pode ser o caso da Vioserpina, uma serpina bacteriana capaz de inibir serino-proteases do tipo tripsina-like como a calicreina tecidual humana 5. Encontrar uma maneira de produzir uma Vioserpina fluorescente pode resultar no desenvolvimento de uma poderosa ferramenta para moniotramento e controle dessa e outras enzimas envolvidas com processos patologicos, como o antigeno prostatico especifico (PSA).
Dessa maneira, realizamos mutacoes pontuais no gene da Vioserpina para a incorporacao do aminoacido cumarinico via par ortogonal tRNA/aaRS por supressao do codon ambar de parada. O aminoacido cumarinico e um aminoacido nao-canonico capaz de emitir fluorescencia na comprimento de onda de 450 nm quando excitado a 363 nm, permitindo o facil monitoramento e deteccao de uma proteina. Tres residuo distintos da Vioserpina foram escolhidos para a incorporacao do aminoacido cumarinico: Trp 208, Ile 342 (P4 da RCL) e Val 343 (P3 da RCL). A incorporacao nas posicoes Trp 208 e Ile 342 resultou em proteina fluorescentes, mas truncadas apos a insercao do aminoacido. Foi possivel obter uma Vioserpina completa com o aminoacido cumarinico na posicao Ile 342, embora com rendimento muito baixo. Tal mutante apresentou capacidade de inibicao e especificidade diferentes da Vioserpina wild type, em ensaios de inibicao enzimatica contra Tripsina e Quimotripsina, indicando que o aminoacido cumarinico em P4 parece causar diferentes interacoes no momento de inibicao da serpina.
Para averiguar as melhores sequencias resultantes da incorporacao do aminoacido cumarinico, foi gerada uma biblioteca de genes da Vioserpina variando aleatoriamente as posicoes P4, P2, P1 e P1f da RCL, com incosporacao do aminoacido cumarinico na posicao P3 (Val 343). A biblioteca de Vioserpina foi apresentada por Phage Display no capsideo do fago M13 fusionada a proteina PIII, utilizando Biopanning para selecao das melhores sequencias com incorporacao do aminoacido nao-canonico, contra a serino-protease quimotripsina. A biblioteca de fagos gerou cinco sequencias com melhor inibicao que da Vioserpina, e mostrou que a insercao do aminoacido cumarinico parece acontecer com maior frequencia quando flanqueado por aminoacidos hidrofobicos ou sem cargas.
A incorporacao do aminoacido cumarinico em sequencias da Vioserpina foi bem sucedida, sendo possivel avaliar a insercao de tal aminoacido na capacidade inibitoria dessa serpina. A investigacao da insercao de aminoacido nao-canonicos por Phage Display e Biopanning representa um grande passo para entender melhor como ocorre a incorporacao de tais aminoacidos, e quais residuos podem ocupar com maior naturalidade suas posicoes laterais. / Serpins are serine protease inhibitor proteins, responsible for the control of the most diverse physiological processes and whose mechanism of inhibition consists in forming a covalent complex with the target enzyme, in an irreversible inhibition process. The reactive center loop (RCL) acts as a bait for the protease, and when cleaved it inserts as a â-strand inside the molecule, distorting the protease active site. As serpins form covalent bonds with their targets, these proteins have been used to study the hydrolysis mechanism of serine proteases. However, they also offer the possibility of developing new drugs against disease-related enzymes, as is the case of Vioserpin, a bacterial serpin capable of inhibiting trypsin-like serine proteases such as human tissue kallikrein. Finding a way of producing fluorescent Vioserpin may result in the development of a powerful tool for monitoring and controlling this and other enzymes involved in pathological processes, such as prostate specific antigen (PSA).
Thus, we performed point mutations in the Vioserpin gene for incorporation of the coumarin amino acid through tRNA/aaRS orthogonal pair by suppression of the amber stop codon. The coumarin amino acid is a non-canonical amino acid capable of emitting fluorescence at 450 nm when excited at 363 nm, allowing for easy detection of a protein. Three different residues of Vioserpin were chosen for incorporation of the coumarin amino acid: Trp 208, Ile 342 (P4 in RCL) and Val 343 (P3 in RCL). Incorporation at positions Trp 208 and Ile 342 resulted in fluorescent but truncated proteins following amino acid insertion. A complete Vioserpin bearing the coumarin amino acid at the Ile 342 position was possible, although at very low yield. Such a mutant exhibited different inhibition and specificity compared to Vioserpin wild type in enzymatic inhibition assays against trypsin and chymotrypsin, indicating that the coumarin amino acid at P4 appears to cause different interactions during serpin inhibition.
To ascertain the best sequences resulting from coumarin amino acid incorporation, a Vioserpin gene library was generated by randomly varying the P4, P2, P1 and P1' positions in RCL, with coumarin amino acid incorporated at the P3 (Val 343) position. The Vioserpin library was exhibited by Phage Display in the M13 phage capsid fused to the PIII protein, using Biopanning against chymotrypsin to select the best sequences with incorporation of the non-canonical amino acid. The phage library generated five sequences with better inhibition than Vioserpin, and pointed to coumarin amino acid insertion appearing to occur more frequently when flanked by hydrophobic or uncharged amino acids.
The incorporation of the coumarin amino acid into Vioserpin sequences was successful, and it is possible to evaluate the insertion of such amino acid in the inhibitory capacity of this serpin. The investigation of non-canonical amino acid insertion by Phage Display and Biopanning represents a great step to better understand how the incorporation of such amino acids occurs, and which residues may more naturally occupy their lateral positions
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:BDTD:109118 |
| Date | January 2018 |
| Creators | Zani, Marcelo Bergamin |
| Contributors | Puzer, Luciano, Sasaki, Sergio Daishi, Silva, Fernanda Dias da, Oliveira, Vitor Marcelo Silveira Bueno Brandão de, Machado, Marcelo Ferreira Marcondes |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Format | application/pdf, 100 f. : il. |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFABC, instname:Universidade Federal do ABC, instacron:UFABC |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | http://biblioteca.ufabc.edu.br/index.php?codigo_sophia=109118&midiaext=75601, http://biblioteca.ufabc.edu.br/index.php?codigo_sophia=109118&midiaext=75602, Cover: http://biblioteca.ufabc.edu.brphp/capa.php?obra=109118 |
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