Engineering synthetic and recombinant human lysosomal β-glucocerebrosidase for enzyme replacement therapy for Gaucher disease
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Engenharia de β-glucocerebrosidase lisossomal humana sintética e recombinante para terapia de reposição enzimática na doença de Gaucher
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Resumo
A doença de Gaucher (DG) é uma doença de armazenamento lisossômico autossômica recessiva causada por variantes patogênicas no gene da glicocerebrosidase, levando à perda da atividade enzimática da β-glicocerebrosidase (GCase). A terapia de reposição enzimática (TRE) com GCase recombinante é o tratamento padrão para pacientes com DG. Nosso estudo investiga o uso combinado de evolução molecular in silico, biologia sintética e terapia gênica para desenvolver uma nova enzima recombinante sintética. Criamos quatro GCases contendo mutações de sentido trocado no peptídeo sinal (PS) de quatro espécies de mamíferos selecionadas e as comparamos com a GCase humana sem mutações de sentido trocado no PS. Investigamos a regulação transcricional com promotores CMV e hEF1a, juntamente com um construto de controle GFP, em células humanas 293-FT. Uma GCase mutante dirigida por hEF1a apresentou um nível de transcrição 5,2 vezes maior do que a GCase de controle. Além disso, este mutante apresenta atividade até seis vezes maior em comparação com o controle negativo, e a estrutura terciária prevista para esta GCase mutante está alinhada com a GCase humana. Também avaliamos resíduos conservados e coevolutivos mapeados em posições funcionalmente importantes. Estudos adicionais são necessários para avaliar sua funcionalidade em um modelo animal de doença de Gaucher. Em conjunto, nossos resultados fornecem evidências in vitro do potencial desta enzima modificada para efeitos terapêuticos aprimorados na doença de Gaucher.
Destaques do artigo:
Análise de conservação e coevolução das frequências de aminoácidos em homólogos de GBA1 de variantes patogênicas associadas à doença de Gaucher, risco de doença de Parkinson ou risco de demência com corpos de Lewy.
Abstract
Gaucher Disease (GD) is an autosomal recessive, lysosomal storage disease caused by pathogenic variants in the glucocerebrosidase gene, leading to the loss of β-glucocerebrosidase (GCase) enzymatic activity. Enzyme replacement therapy (ERT) with recombinant GCase is the standard of care in GD patients. Our study investigates the combined use of in silico molecular evolution, synthetic biology and gene therapy approaches to develop a new synthetic recombinant enzyme. We engineered four GCases containing missense mutations in the signal peptide (SP) from four selected mammalian species, and compared them with human GCase without missense mutations in the SP. We investigated transcriptional regulation with CMV and hEF1a promoters alongside a GFP control construct in 293-FT human cells. One hEF1a-driven mutant GCase shows a 5.2-fold higher level of transcription than control GCase. In addition, this mutant exhibits up to a sixfold higher activity compared with the mock-control, and the predicted tertiary structure of this mutant GCase aligns with human GCase. We also evaluated conserved and coevolved residues mapped to functionally important positions. Further studies are needed to assess its functionality in a GD animal model. Altogether, our findings provide in vitro evidence of the potential of this engineered enzyme for improved therapeutic effects for GD.
Article highlights:
Conservation and coevolution analysis of amino acid frequencies in GBA1 homologs of pathogenic variants associated with Gaucher disease, Parkinson’ disease risk or Dementia with Lewy bodies risk.
Assunto
Doença de gaucher, Doença de parkinson, Doença por corpos de Lewy, Terapia de reposição de enzimas, Evolução molecular, Biologia sintética, Terapia genética
Palavras-chave
Gaucher disease, Glucocerebrosidase, Synthetic biology, In silico molecular evolution, Signal peptide, Enzyme coevolution, CMV promoter, hEF1a promoter, 293FT cells
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https://link.springer.com/article/10.1007/s42452-024-06227-z