Thyroid peroxidase (TPO) is a critical membrane-bound enzyme involved in the biosynthesis of multiple thyroid hormones, and is a major autoantigen in autoimmune thyroid diseases such as Graves' disease and Hashimoto's thyroiditis. Here we report the biophysical and structural characterisation of two novel TPO constructs containing only the ectodomain of TPO and lacking the propeptide. Both constructs were enzymatically active and able to bind the patient-derived TR1.9 autoantibody. Analytical ultra-centrifugation data suggests that TPO can exist as both a monomer and a dimer. Combined with negative stain electron microscopy and molecular dynamics simulations, these data show that TR1.9 autoantibody preferentially binds the TPO monomer, revealing conformational changes that bring together previously disparate residues into a continuous epitope. In addition to providing plausible structural models of a TPO-autoantibody complex, this study provides validated TPO constructs that will facilitate further characterization, and advances our understanding of the structural, functional and antigenic characteristics of TPO, a molecule behind some of the most common autoimmune diseases.

Sunflower Trypsin Inhibitor (SFTI-1) is a 14-amino acid serine protease inhibitor. The dual anti-parallel β-sheet arrangement of SFTI-1 is stabilized by a N-terminal-C-terminal backbone cyclization and a further disulfide bridge to form a final bicyclic structure. This constrained structure is further rigidified by an extensive network of internal hydrogen bonds. Thus, the structure of SFTI-1 in solution resembles the protease-bound structure, reducing the entropic penalty upon protease binding. When cleaved at the scissile bond, it is thought that the rigidifying features of SFTI-1 maintain its structure, allowing the scissile bond to be reformed. The lack of structural plasticity for SFTI-1 is proposed to favour initial protease binding and continued occupancy in the protease active site, resulting in an equilibrium between cleaved and uncleaved inhibitor in the presence of protease. We have determined, at 1.15 Å resolution, the x-ray crystal structures of complexes between human kallikrein-related peptidase 4 (KLK4) and SFTI-FCQR(Asn14), and between KLK4 and an acyclic form of the same inhibitor, SFTI-FCQR(Asn14)[1,14], with the latter displaying a cleaved scissile bond. Structural analysis and MD simulations together reveal the roles of altered contact sequence, intramolecular hydrogen bonding network and backbone cyclization, in altering the state of SFTI's scissile bond ligation at the protease active site. Taken together, the data presented reveal insights into the role of dynamics in the standard-mechanism inhibition, and suggest that modifications on the non-contact strand may be a useful, underexplored approach for generating further potent or selective SFTI-based inhibitors against members of the serine protease family.

Serine proteinase inhibitors (serpins), typically fold to a metastable native state and undergo a major conformational change in order to inhibit target proteases. However, conformational labiality of the native serpin fold renders them susceptible to misfolding and aggregation, and underlies misfolding diseases such as α1-antitrypsin deficiency. Serpin specificity towards its protease target is dictated by its flexible and solvent exposed reactive centre loop (RCL), which forms the initial interaction with the target protease during inhibition. Previous studies have attempted to alter the specificity by mutating the RCL to that of a target serpin, but the rules governing specificity are not understood well enough yet to enable specificity to be engineered at will. In this paper, we use conserpin, a synthetic, thermostable serpin, as a model protein with which to investigate the determinants of serpin specificity by engineering its RCL. Replacing the RCL sequence with that from α1-antitrypsin fails to restore specificity against trypsin or human neutrophil elastase. Structural determination of the RCL-engineered conserpin and molecular dynamics simulations indicate that, although the RCL sequence may partially dictate specificity, local electrostatics and RCL dynamics may dictate the rate of insertion during protease inhibition, and thus whether it behaves as an inhibitor or a substrate. Engineering serpin specificity is therefore substantially more complex than solely manipulating the RCL sequence, and will require a more thorough understanding of how conformational dynamics achieves the delicate balance between stability, folding and function required by the exquisite serpin mechanism of action.

The enzyme glutamate decarboxylase (GAD) produces the neurotransmitter GABA, using pyridoxal-5'-phosphate. GAD exists as two isoforms, GAD65 and GAD67. Only GAD65 acts as a major autoantigen, with its autoantibodies frequently found in type 1 diabetes and other autoimmune diseases. Here we characterize the structure and dynamics of GAD65 and its interaction with the autoimmune polyendocrine syndrome type 2-associated autoantibody b96.11. Combining hydrogen-deuterium exchange mass spectrometry (HDX), X-ray crystallography, cryo-electron microscopy and computational approaches, we dissect the conformational dynamics of the inactive apo- and the active holo-forms of GAD65, as well as the structure of the GAD65-autoantibody complex. HDX reveals the time-resolved, local dynamics that accompany autoinactivation, with the catalytic loop playing a key role in promoting collective dynamics at the interface between CTD and PLP domains. In the GAD65-b96.11 complex, heavy chain CDRs dominate the interaction, with the relatively long CDRH3 at the interface centre and uniquely bridging the GAD65 dimer via extensive electrostatic interactions with the 260 PEVKEK 265 motif. The autoantibody bridges structural elements on GAD65 that contribute to conformational change in GAD65, thus connecting the unique and intrinsic conformational flexibility that governs the autoinactivation mechanism of the enzyme to its autoantigenicity. The intrinsic dynamics, rather than sequence differences within epitopes, appear to be responsible for the contrasting autoantigenicities of GAD65 and GAD67. Our data thus reveal insights into the structural and dynamic differences between GAD65 and GAD67 that dictate their contrasting autoantibody reactivities, provide a new structural rationalisation for the nature of the autoimmune response to GAD65, and may have broader implications for antigenicity in general.

Abstract The fibronectin type III (FN3) monobody domain is a promising non-antibody scaffold which features a less complex architecture than an antibody while maintaining analogous binding loops. We previously developed FN3Con, a hyper-stable monobody derivative with diagnostic and therapeutic potential. Pre-stabilization of the scaffold mitigates the stability-function trade-off commonly associated with evolving a protein domain towards biological activity. Here, we aimed to examine if the FN3Con monobody could take on antibody-like binding to therapeutic targets, while retaining its extreme stability. We targeted the first of the Adnectin derivative of monobodies to reach clinical trials, which was engineered by directed evolution for binding to the therapeutic target VEGFR2; however, this function was gained at the expense of large losses in thermostability and increased oligomerisation. In order to mitigate these losses, we grafted the binding loops from Adnectin-anti-VEGFR2 (CT-322) onto the pre-stabilized FN3Con scaffold to produce a domain that successfully bound with high affinity to the therapeutic target VEGFR2. This FN3Con-anti-VEGFR2 construct also maintains high thermostability, including remarkable long-term stability, retaining binding activity after 2 years of storage at 36 °C. Further investigations into buffer excipients doubled the presence of monomeric monobody in accelerated stability trials. These data suggest that loop grafting onto a pre-stabilized scaffold is a viable strategy for the development of monobody domains with desirable biophysical characteristics, and is therefore well-suited to applications such as the evolution of multiple paratopes or shelf-stable diagnostics and therapeutics.