Engineering of Therapeutic and Detoxifying Enzymes.
Artificial Metalloenzymes
Base Editor
Directed Evolution
Enzyme Design
Enzyme Therapy
Journal
Angewandte Chemie (International ed. in English)
ISSN: 1521-3773
Titre abrégé: Angew Chem Int Ed Engl
Pays: Germany
ID NLM: 0370543
Informations de publication
Date de publication:
13 11 2023
13 11 2023
Historique:
received:
22
06
2023
medline:
8
11
2023
pubmed:
11
7
2023
entrez:
11
7
2023
Statut:
ppublish
Résumé
Therapeutic enzymes present excellent opportunities for the treatment of human disease, modulation of metabolic pathways and system detoxification. However, current use of enzyme therapy in the clinic is limited as naturally occurring enzymes are seldom optimal for such applications and require substantial improvement by protein engineering. Engineering strategies such as design and directed evolution that have been successfully implemented for industrial biocatalysis can significantly advance the field of therapeutic enzymes, leading to biocatalysts with new-to-nature therapeutic activities, high selectivity, and suitability for medical applications. This minireview highlights case studies of how state-of-the-art and emerging methods in protein engineering are explored for the generation of therapeutic enzymes and discusses gaps and future opportunities in the field of enzyme therapy.
Identifiants
pubmed: 37433049
doi: 10.1002/anie.202308814
doi:
Substances chimiques
Enzymes
0
Types de publication
Journal Article
Review
Research Support, Non-U.S. Gov't
Langues
eng
Sous-ensembles de citation
IM
Pagination
e202308814Informations de copyright
© 2023 Wiley-VCH GmbH.
Références
B. G. de la Torre, F. Albericio, Molecules 2019, 24, 745-758;
M. Gebauer, A. Skerra, Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol. 2020, 60, 391-415.
Kunamneni, C. Ogaugwu, D. Goli, in Enzymes in Human and Animal Nutrition (Eds.: M. C. S. Nunes, V. Kumar), Academic Press, London, UK, 2018, pp. 301-312.
J. Beard, BMJ 1906, 1, 140-141;
W. E. Stone, H. E. Wright, J. Am. Chem. Soc. 1898, 20, 639-647.
R. J. Desnick, E. H. Schuchman, Annu. Rev. Genomics Hum. Genet. 2012, 13, 307-335.
J. Herlitz, Am. J. Cardiol. 1990, 65, 401-407.
M. Vellard, Curr. Opin. Biotechnol. 2003, 14, 444-450;
Y. Liu, J. Li, Y. Lu, Adv. Drug Delivery Rev. 2015, 90, 24-39;
L. Fang, K. M. Chow, S. Hou, L. Xue, X. Chen, D. W. Rodgers, F. Zheng, C. G. Zhan, ACS Chem. Biol. 2014, 9, 1764-1772;
O. M. Malekshah, X. Chen, A. Nomani, S. Sarkar, A. Hatefi, Curr. Pharmacol. Rep. 2016, 2, 299-308;
I. Cherny, P. Greisen Jr., Y. Ashani, S. D. Khare, G. Oberdorfer, H. Leader, D. Baker, D. S. Tawfik, ACS Chem. Biol. 2013, 8, 2394-2403;
M. Toul, D. Nikitin, M. Marek, J. Damborsky, Z. Prokop, ACS Catal. 2022, 12, 3807-3814.
D. S. Dimitrov, Methods Mol. Biol. 2012, 899, 1-26.
C. Zeymer, D. Hilvert, Annu. Rev. Biochem. 2018, 87, 131-157.
S. Mazurenko, Z. Prokop, J. Damborsky, ACS Catal. 2020, 10, 1210-1223;
Z. Wu, K. E. Johnston, F. H. Arnold, K. K. Yang, Curr. Opin. Chem. Biol. 2021, 65, 18-27;
B. J. Wittmann, K. E. Johnston, Z. Wu, F. H. Arnold, Curr. Opin. Struct. Biol. 2021, 69, 11-18.
A. M. Davis, A. T. Plowright, E. Valeur, Nat. Rev. Drug Discovery 2017, 16, 681-698.
L. V. Zinsli, N. Stierlin, M. J. Loessner, M. Schmelcher, Comput. Struct. Biotechnol. J. 2021, 19, 315-329;
A. M. Vargason, A. C. Anselmo, S. Mitragotri, Nat. Biomed. Eng. 2021, 5, 951-967.
D. C. Miller, S. V. Athavale, F. H. Arnold, Nat. Synth. 2022, 1, 18-23.
O. Khersonsky, D. S. Tawfik, Annu. Rev. Biochem. 2010, 79, 471-505.
F. Schwizer, Y. Okamoto, T. Heinisch, Y. Gu, M. M. Pellizzoni, V. Lebrun, R. Reuter, V. Kohler, J. C. Lewis, T. R. Ward, Chem. Rev. 2018, 118, 142-231.
Y. Okamoto, R. Kojima, F. Schwizer, E. Bartolami, T. Heinisch, S. Matile, M. Fussenegger, T. R. Ward, Nat. Commun. 2018, 9, 1943.
W. Ghattas, V. Dubosclard, A. Wick, A. Bendelac, R. Guillot, R. Ricoux, J. P. Mahy, J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 8756-8762.
M. Wittwer, U. Markel, J. Schiffels, J. Okuda, D. F. Sauer, U. Schwaneberg, Nat. Catal. 2021, 4, 814-827;
S. Eda, I. Nasibullin, K. Vong, N. Kudo, M. Yoshida, A. Kurbangalieva, K. Tanaka, Nat. Catal. 2019, 2, 780-792.
T. C. Chang, K. Vong, T. Yamamoto, K. Tanaka, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2021, 60, 12446-12454.
N. Y. Kim, T. N. Goddard, S. Sohn, D. A. Spiegel, J. M. Crawford, ChemBioChem 2019, 20, 2402-2410.
M. Hellwig, T. Henle, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2014, 53, 10316-10329.
V. M. Monnier, A. Cerami, Science 1981, 211, 491-493;
J. Chaudhuri, Y. Bains, S. Guha, A. Kahn, D. Hall, N. Bose, A. Gugliucci, P. Kapahi, Cell Metab. 2018, 28, 337-352;
C. Zeng, Y. Li, J. Ma, L. Niu, F. R. Tay, Trends Endocrinol. Metab. 2019, 30, 959-973;
P. T. Sato, N. Shimogaito, X. Wu, S. Kikuchi, S. Yamagishi, M. Takeuchi, Am. J. Alzheimer's Dis. Other Dement. 2006, 21, 197-208;
D. P. Turner, Adv. Cancer Res. 2017, 133, 1-22;
J. Bellier, M. J. Nokin, E. Larde, P. Karoyan, O. Peulen, V. Castronovo, A. Bellahcene, Diabetes Res. Clin. Pract. 2019, 148, 200-211;
G. Palanissami, S. F. D. Paul, Horm. Cancer 2018, 9, 295-325;
H. Khan, S. Alouffi, A. A. Alatar, A. A. Qahtan, M. Faisal, S. Ahmad, Glycobiology 2020, 30, 152-158;
K. J. Lee, J. W. Yoo, Y. K. Kim, J. H. Choi, T. Y. Ha, M. Gil, Biochem. Biophys. Res. Commun. 2018, 495, 2195-2201.
G. Richarme, C. Liu, M. Mihoub, J. Abdallah, T. Leger, N. Joly, J. C. Liebart, U. V. Jurkunas, M. Nadal, P. Bouloc, J. Dairou, Science 2017, 357, 208-211;
S. Ferri, K. Seungsu, W. Tsugawa, K. Sode, J. Diabetes Sci. Technol. 2009, 3, 585-592;
M. Takahashi, M. Pischetsrieder, V. M. Monnier, J. Biol. Chem. 1997, 272, 3437-3443;
Z. Lin, J. Zheng, Appl. Microbiol. Biotechnol. 2010, 86, 1613-1619.
J. M. Bujnicki, RNA 2004, 10, 1236-1242;
D. Pearson, T. Carell, Nucleic Acids Res. 2011, 39, 4818-4826.
P. S. Huang, S. E. Boyken, D. Baker, Nature 2016, 537, 320-327;
G. Kiss, N. Celebi-Olcum, R. Moretti, D. Baker, K. N. Houk, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2013, 52, 5700-5725;
H. Kries, R. Blomberg, D. Hilvert, Curr. Opin. Chem. Biol. 2013, 17, 221-228.
C. A. Tennyson, S. Simpson, B. Lebwohl, S. Lewis, P. H. Green, Therap. Adv. Gastroenterol. 2013, 6, 358-364.
L. M. Sollid, Nat. Rev. Immunol. 2002, 2, 647-655.
C. Wolf, J. B. Siegel, C. Tinberg, A. Camarca, C. Gianfrani, S. Paski, R. Guan, G. Montelione, D. Baker, I. S. Pultz, J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 13106-13113;
S. R. Gordon, E. J. Stanley, S. Wolf, A. Toland, S. J. Wu, D. Hadidi, J. H. Mills, D. Baker, I. S. Pultz, J. B. Siegel, J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 20513-20520.
R. Das, D. Baker, Annu. Rev. Biochem. 2008, 77, 363-382.
Y. Gu, B. J. Bloomer, Z. Liu, R. Chen, D. S. Clark, J. F. Hartwig, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2022, 61, e202110519.
A. Stucki, J. Vallapurackal, T. R. Ward, P. S. Dittrich, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2021, 60, 24368-24387;
G. Yang, S. G. Withers, ChemBioChem 2009, 10, 2704-2715;
F. W. Y. Chiu, S. Stavrakis, Electrophoresis 2019, 40, 2860-2872.
F. Michailidou, D. Burnett, S. V. Sharma, S. G. Van Lanen, R. J. M. Goss, in Comprehensive Natural Products III, Vol. 2, 3rd ed. (Eds.: H.-W. Liu, T. P. Begley), Elsevier, Amsterdam, 2020, pp. 500-536.
A. Parisien, B. Allain, J. Zhang, R. Mandeville, C. Q. Lan, J. Appl. Microbiol. 2008, 104, 1-13.
S. M. Dostal, Y. Fang, J. C. Guerrette, T. C. Scanlon, K. E. Griswold, ACS Chem. Biol. 2015, 10, 1110-1117.
J. Zhang, V. Kale, M. Chen, AAPS J. 2015, 17, 102-110.
J. N. Copp, A. M. Mowday, E. M. Williams, C. P. Guise, A. Ashoorzadeh, A. V. Sharrock, J. U. Flanagan, J. B. Smaill, A. V. Patterson, D. F. Ackerley, Cell Chem. Biol. 2017, 24, 391-403.
A. D. W. Boran, R. Iyengar, Curr. Opin. Drug Discovery Dev. 2010, 13, 297-309.
S. Chaturvedi, A. K. Singh, A. K. Keshari, S. Maity, S. Sarkar, S. Saha, Scientifica 2016, 2016, 9828672.
G. J. Gores, C. E. Flarsheim, T. L. Dawson, A. L. Nieminen, B. Herman, J. J. Lemasters, Am. J. Physiol. Cell Physiol. 1989, 257, C347-C354.
A. Patgiri, O. S. Skinner, Y. Miyazaki, G. Schleifer, E. Marutani, H. Shah, R. Sharma, R. P. Goodman, T. L. To, X. Robert Bao, F. Ichinose, W. M. Zapol, V. K. Mootha, Nat. Biotechnol. 2020, 38, 309-313.
F. D. Urnov, E. J. Rebar, M. C. Holmes, H. S. Zhang, P. D. Gregory, Nat. Rev. Genet. 2010, 11, 636-646.
J. K. Joung, J. D. Sander, Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2013, 14, 49-55.
L. A. Gilbert, M. H. Larson, L. Morsut, Z. Liu, G. A. Brar, S. E. Torres, N. Stern-Ginossar, O. Brandman, E. H. Whitehead, J. A. Doudna, W. A. Lim, J. S. Weissman, L. S. Qi, Cell 2013, 154, 442-442;
M. Jinek, K. Chylinski, I. Fonfara, M. Hauer, J. A. Doudna, E. Charpentier, Science 2012, 337, 816-821.
A. V. Anzalone, L. W. Koblan, D. R. Liu, Nat. Biotechnol. 2020, 38, 824-844;
N. M. Gaudelli, A. C. Komor, H. A. Rees, M. S. Packer, A. H. Badran, D. I. Bryson, D. R. Liu, Nature 2017, 551, 464-471;
A. C. Komor, Y. B. Kim, M. S. Packer, J. A. Zuris, D. R. Liu, Nature 2016, 533, 420-424.
J. M. Gehrke, O. Cervantes, M. K. Clement, Y. Wu, J. Zeng, D. E. Bauer, L. Pinello, J. K. Joung, Nat. Biotechnol. 2018, 36, 977-977.
D. B. T. Cox, J. S. Gootenberg, O. O. Abudayyeh, B. Franklin, M. J. Kellner, J. Joung, F. Zhang, Science 2017, 358, 1019-1027.
K. Kingwell, Nat. Rev. Drug Discovery 2022, 21, 545-547.
M. Arbab, Z. Matuszek, K. M. Kray, A. Du, G. A. Newby, A. J. Blatnik, A. Raguram, M. F. Richter, K. T. Zhao, J. M. Levy, M. W. Shen, W. D. Arnold, D. Wang, J. Xie, G. Gao, A. H. M. Burghes, D. R. Liu, Science 2023, 380, eadg6518.
A. Raguram, S. Banskota, D. R. Liu, Cell 2022, 185, 2806-2827;
P. J. Chen, D. R. Liu, Nat. Rev. Genet. 2023, 24, 161-177;
J. L. Doman, A. Raguram, G. A. Newby, D. R. Liu, Nat. Biotechnol. 2020, 38, 620-628.
P. Monian, C. Shivalila, G. Lu, M. Shimizu, D. Boulay, K. Bussow, M. Byrne, A. Bezigian, A. Chatterjee, D. Chew, J. Desai, F. Favaloro, J. Godfrey, A. Hoss, N. Iwamoto, T. Kawamoto, J. Kumarasamy, A. Lamattina, A. Lindsey, F. Liu, R. Looby, S. Marappan, J. Metterville, R. Murphy, J. Rossi, T. Pu, B. Bhattarai, S. Standley, S. Tripathi, H. Yang, Y. Yin, H. Yu, C. Zhou, L. H. Apponi, P. Kandasamy, C. Vargeese, Nat. Biotechnol. 2022, 40, 1093-1102;
S. Banskota, A. Raguram, S. Suh, S. W. Du, J. R. Davis, E. H. Choi, X. Wang, S. C. Nielsen, G. A. Newby, P. B. Randolph, M. J. Osborn, K. Musunuru, K. Palczewski, D. R. Liu, Cell 2022, 185, 250-265.
J. Sun, N. M. Antczak, H. L. Gahlon, S. J. Sturla, Chem. Sci. 2022, 13, 4295-4302;
E. R. Lotsof, A. E. Krajewski, B. Anderson-Steele, J. Rogers, L. Zhang, J. Yeo, S. G. Conlon, A. H. Manlove, J. K. Lee, S. S. David, J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 14578-14589.
R. Crawshaw, A. E. Crossley, L. Johannissen, A. J. Burke, S. Hay, C. Levy, D. Baker, S. L. Lovelock, A. P. Green, Nat. Chem. 2022, 14, 313-320.
J. Jumper, R. Evans, A. Pritzel, T. Green, M. Figurnov, O. Ronneberger, K. Tunyasuvunakool, R. Bates, A. Zidek, A. Potapenko, A. Bridgland, C. Meyer, S. A. A. Kohl, A. J. Ballard, A. Cowie, B. Romera-Paredes, S. Nikolov, R. Jain, J. Adler, T. Back, S. Petersen, D. Reiman, E. Clancy, M. Zielinski, M. Steinegger, M. Pacholska, T. Berghammer, S. Bodenstein, D. Silver, O. Vinyals, A. W. Senior, K. Kavukcuoglu, P. Kohli, D. Hassabis, Nature 2021, 596, 583-589;
A. Giessel, A. Dousis, K. Ravichandran, K. Smith, S. Sur, I. McFadyen, W. Zheng, S. Licht, Sci. Rep. 2022, 12, 1536.
R. Vanella, D. T. Ta, M. A. Nash, Biotechnol. Bioeng. 2019, 116, 1878-1886;
D. Hess, V. Dockalova, P. Kokkonen, D. Bednar, J. Damborsky, A. deMello, Z. Prokop, S. Stavrakis, Chem 2021, 7, 1066-1079.
F. Michailidou, N. Klocker, N. V. Cornelissen, R. K. Singh, A. Peters, A. Ovcharenko, D. Kummel, A. Rentmeister, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2021, 60, 480-485;
F. Michailidou, A. Rentmeister, Org. Biomol. Chem. 2021, 19, 3756-3762;
N. V. Cornelissen, F. Michailidou, F. Muttach, K. Rau, A. Rentmeister, Chem. Commun. 2020, 56, 2115-2118 ;
Z. C. Litman, Y. Wang, H. Zhao, J. F. Hartwig, Nature 2018, 560, 355-359.
F. Agostini, J. S. Völler, B. Koksch, C. G. Acevedo-Rocha, V. Kubyshkin, N. Budisa, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 2017, 56, 9680.
M. Vasina, J. Velecky, J. Planas-Iglesias, S. M. Marques, J. Skarupova, J. Damborsky, D. Bednar, S. Mazurenko, Z. Prokop, Adv. Drug Delivery Rev. 2022, 183, 114143.
S. Vázquez Torres, P. J. Y. Leung, I. D. Lutz, P. Venkatesh, J. L. Watson, F. Hink, H.-H. Huynh, A. H.-W. Yeh, D. Juergens, N. R. Bennett, A. N. Hoofnagle, E. Huang, M. J. MacCoss, M. Expòsit, G. R. Lee, P. M. Levine, X. Li, M. Lamb, E. N. Korkmaz, J. Nivala, L. Stewart, J. M. Rogers, D. Baker, bioRxiv preprint 2022, https://doi.org/10.1101/2022.12.10.519862;
J. L. Watson, D. Juergens, N. R. Bennett, B. L. Trippe, J. Yim, H. E. Eisenach, W. Ahern, A. J. Borst, R. J. Ragotte, L. F. Milles, B. I. M. Wicky, N. Hanikel, S. J. Pellock, A. Courbet, W. Sheffler, J. Wang, P. Venkatesh, I. Sappington, S. V. Torres, A. Lauko, V. De Bortoli, E. Mathieu, R. Barzilay, T. S. Jaakkola, F. DiMaio, M. Baek, D. Baker, bioRxiv preprint 2022, 10.1101/2022.12.09.519842.2022.
G. Corso, H. Stärk, B. Jing, R. Barzilay, T. Jaakkola, arXiv preprint 2022, https://doi.org/10.48550/ARXIV.2210.01776.
J. Dauparas, I. Anishchenko, N. Bennett, H. Bai, R. J. Ragotte, L. F. Milles, B. I. M. Wicky, A. Courbet, R. J. De Haas, N. Bethel, P. J. Y. Leung, T. F. Huddy, S. Pellock, D. Tischer, F. Chan, B. Koepnick, H. Nguyen, A. Kang, B. Sankaran, A. K. Bera, N. P. King, D. Baker, Science 2022, 378, 49-56.