A strategy, called alanine-scanning mutagenesis, was used to identify specific side chains in human growth hormone (hGH) that strongly modulate binding to the hGH receptor cloned from human liver. Single alanine mutations (62 in total) were introduced at every residue contained within the three discontinuous segments of hGH (residues 2 to 19, 54 to 74, and 167 to 191) that have been implicated in receptor recognition. The alanine scan revealed a cluster of a dozen large side chains that when mutated to alanine each showed more than a four times lower binding affinity to the hGH receptor. Many of these residues that promote binding to the hGH receptor are altered in homologs of hGH (such as placental lactogens and prolactins) that do not bind tightly to the hGH receptor. The overall folding of these mutant proteins was indistinguishable from that of the wild-type hGH, as determined by strong cross-reactivities with seven different conformationally sensitive monoclonal antibodies. The alanine scan also identified at least one side chain, Glu 174 , that hindered binding because when it was mutated to alanine the receptor affinity increased by more than a factor of four.

Human growth hormone (hGH) forms a 1:2 complex with the extracellular domain of its receptor-binding protein (hGHbp) as studied by crystallization, size exclusion chromatography, calorimetry, and a previously undescribed fluorescence quenching assay. These and other experiments with protein engineered variants of hGH have led to the identification of the binding determinants for two distinct but adjacent sites on hGH for the hGHbp, and the data indicated that there are two overlapping binding sites on the hGHbp for hGH. Furthermore, the binding of hGH to the hGHbp occurred sequentially; a first hGHbp molecule bound to site 1 on hGH and then a second hGHbp bound to site 2. Hormone-induced receptor dimerization is proposed to be relevant to the signal transduction mechanism for the hGH receptor and other related cytokine receptors.

A hybrid receptor was constructed that contained the extracellular binding domain of the human growth hormone (hGH) receptor linked to the transmembrane and intracellular domains of the murine granulocyte colony-stimulating factor receptor. Addition of hGH to a myeloid leukemia cell line (FDC-P1) that expressed the hybrid receptor caused proliferation of these cells. The mechanism for signal transduction of the hybrid receptor required dimerization because monoclonal antibodies to the hGH receptor were agonists whereas their monovalent fragments were not. Receptor dimerization occurs sequentially--a receptor binds to site 1 on hGH, and then a second receptor molecule binds to site 2 on hGH. On the basis of this sequential mechanism, which may occur in many other cytokine receptors, inactive hGH analogs were designed that were potent antagonists to hGH-induced cell proliferation. Such antagonists could be useful for treating clinical conditions of hGH excess, such as acromegaly.

A comprehensive analysis of the energetic importance of the 31 side-chains buried at the interface between human growth hormone (hGH) and the extracellular binding domain of its receptor (hGHbp) has been carried out to assess the roles of contact side-chains in modulating the affinity and kinetics of binding. Each side-chain in hGH was converted to alanine, and the kinetics and affinity were measured using a biosensor device. This detects binding of the mutated hormones to the immobilized hGHbp by changes induced in refractive index. The data generated on the biosensor match affinities obtained by radio-immune assay in solution. The study shows that only one-quarter of the side-chains buried at the interface can account for the majority of the binding energy. These residues cluster near the center of the structural epitope. The role of these side-chains is predominantly to slow dissociation because most of the effect of the alanine substitutions is to increase the off-rate, not to slow the on-rate. The hormone associates about 10,000 times slower than expected from random diffusion but 1000 times faster than may be expected if one imposes strict orientation restraints for a productive collision. Electrostatic interactions partly modulate association because mutations at Arg residues most affect association and together contribute a factor of about 20 to the on-rate. The data suggest that the hormone and receptor associate by diffusion and electrostatics to form an ensemble of weak collisional complexes. From these a bound complex is produced that is stabilized by only a small proportion of the contacts. We suggest that solvation energies and/or side-chains interactions within the free hormone or receptor may be so favorable that little energy is gained at most side-chains upon binding. The fact that the functional binding epitope is much smaller than the structural epitope suggests it may be possible to design smaller hormone mimics.

We have identified a small-molecule inhibitor of tumor necrosis factor α (TNF-α) that promotes subunit disassembly of this trimeric cytokine family member. The compound inhibits TNF-α activity in biochemical and cell-based assays with median inhibitory concentrations of 22 and 4.6 micromolar, respectively. Formation of an intermediate complex between the compound and the intact trimer results in a 600-fold accelerated subunit dissociation rate that leads to trimer dissociation. A structure solved by x-ray crystallography reveals that a single compound molecule displaces a subunit of the trimer to form a complex with a dimer of TNF-α subunits.

Vascular endothelial growth factor (VEGF) is a homodimeric member of the cystine knot family of growth factors, with limited sequence homology to platelet-derived growth factor (PDGF) and transforming growth factor beta2 (TGF-beta). We have determined its crystal structure at a resolution of 2.5 A, and identified its kinase domain receptor (KDR) binding site using mutational analysis. Overall, the VEGF monomer resembles that of PDGF, but its N-terminal segment is helical rather than extended. The dimerization mode of VEGF is similar to that of PDGF and very different from that of TGF-beta. Mutational analysis of VEGF reveals that symmetrical binding sites for KDR are located at each pole of the VEGF homodimer. Each site contains two functional "hot spots" composed of binding determinants presented across the subunit interface. The two most important determinants are located within the largest hot spot on a short, three-stranded sheet that is conserved in PDGF and TGF-beta. Functional analysis of the binding epitopes for two receptor-blocking antibodies reveal different binding determinants near each of the KDR binding hot spots.

A strategy, termed homolog-scanning mutagenesis, was used to identify the epitopes on human growth hormone (hGH) for binding to its cloned liver receptor and eight different monoclonal antibodies (Mab's). Segments of sequences (7 to 30 residues long) that were derived from homologous hormones known not to bind to the hGH receptor or Mab's, were systematically substituted throughout the hGH gene to produce a set of 17 chimeric hormones. Each Mab or receptor was categorized by a particular subset of mutant hormones was categorized by a particular subset of mutant hormones that disrupted binding. Each subset of the disruptive mutations mapped within close proximity on a three-dimensional model of hGH, even though the residues changed within each subset were usually distant in the primary sequence. The mapping analysis correctly predicted those Mab's which could or could not block binding of the receptor to hGH and further suggested (along with other data) that the folding of these chimeric hormones is like that of HGH. By this analysis, three discontinuous polypeptide determinants in hGH--the loop between residues 54 and 74, the central portion of helix 4 to the carboxyl terminus, and to a lesser extent the amino-terminal region of helix 1--modulate binding to the liver receptor. Homolog-scanning mutagenesis should be of general use in identifying sequences that cause functional variation among homologous proteins.