Abstract We describe the design, kinetic properties, and structures of engineered subtilisin proteases that degrade the active form of RAS by cleaving a conserved sequence in switch 2. RAS is a signaling protein that, when mutated, drives a third of human cancers. To generate high specificity for the RAS target sequence, the active site was modified to be dependent on a cofactor (imidazole or nitrite) and protease sub-sites were engineered to create a linkage between substrate and cofactor binding. Selective proteolysis of active RAS arises from a 2-step process wherein sub-site interactions promote productive binding of the cofactor, enabling cleavage. Proteases engineered in this way specifically cleave active RAS in vitro , deplete the level of RAS in a bacterial reporter system, and also degrade RAS in human cell culture. Although these proteases target active RAS, the underlying design principles are fundamental and will be adaptable to many target proteins.

Abstract Alpha-1-antitrypsin (A1AT) is a multifunctional, clinically important, high value therapeutic glycoprotein that can be used for the treatment of many diseases such as alpha-1-antitrypsin deficiency, diabetes, graft-versus-host-disease, cystic fibrosis and various viral infections. Currently, the only FDA-approved treatment for A1AT disorders is intravenous augmentation therapy with human plasma-derived A1AT. In addition to its limited supply, this approach poses a risk of infection transmission, since it uses therapeutic A1AT harvested from donors. To address these issues, we sought to generate recombinant human A1AT (rhA1AT) that is chemically and biologically indistinguishable from its plasma-derived counterpart using glycoengineered Chinese Hamster Ovary (geCHO-L) cells. By deleting nine key genes that are part of the CHO glycosylation machinery and expressing the human ST6GAL1 and A1AT genes, we obtained stable, high producing geCHO-L lines that produced rhA1AT having an identical glycoprofile to plasma-derived A1AT (pdA1AT). Additionally, the rhA1AT demonstrated in vitro activity and in vivo half-life comparable to commercial pdA1AT. Thus, we anticipate that this platform will help produce human-like recombinant plasma proteins, thereby providing a more sustainable and reliable source of therapeutics that are cost-effective and better-controlled with regard to purity, clinical safety and quality.

An effective vaccine for hepatitis C virus (HCV) is a major unmet need, and it requires an antigen that elicits immune responses to key conserved epitopes. Based on structures of antibodies targeting HCV envelope glycoprotein E2, we designed immunogens to modulate the structure and dynamics of E2 and favor induction of bNAbs in the context of a vaccine. These designs include a point mutation in a key conserved antigenic site to stabilize its conformation, as well as redesigns of an immunogenic region to add a new N-glycosylation site and mask it from antibody binding. Designs were experimentally characterized for binding to a panel of human monoclonal antibodies (HMAbs) and the coreceptor CD81 to confirm preservation of epitope structure and preferred antigenicity profile. Selected E2 designs were tested for immunogenicity in mice, with and without hypervariable region 1, which is an immunogenic region associated with viral escape. One of these designs showed improvement in polyclonal immune serum binding to HCV pseudoparticles and neutralization of isolates associated with antibody resistance. These results indicate that antigen optimization through structure-based design of the envelope glycoproteins is a promising route to an effective vaccine for HCV.

Hepatitis C virus (HCV) is a major public health concern, and the development of an effective HCV vaccine plays an important role in the effort to prevent new infections. Supramolecular co-assembly and co-presentation of the HCV envelope E1E2 heterodimer complex and core protein presents an attractive vaccine design strategy for achieving effective humoral and cellular immunity. With this objective, the two antigens were non-covalently assembled with an immunostimulant (TLR 7/8 agonist) into virus-mimicking polymer nanocomplexes (VMPNs) using a biodegradable synthetic polyphosphazene delivery vehicle. The resulting assemblies were characterized using dynamic light scattering and asymmetric flow field-flow fractionation methods and directly visualized in their vitrified state by cryogenic electron microscopy. The in vivo superiority of VMPNs over the individual components and an Alum-formulated vaccine manifests in higher neutralizing antibody titers, the promotion of a balanced IgG response, and the induction of a cellular immunity—CD4+ T cell responses to core proteins. The aqueous-based spontaneous co-assembly of antigens and immunopotentiating molecules enabled by a synthetic biodegradable carrier offers a simple and effective pathway to the development of polymer-based supramolecular nanovaccine systems.