Vascular endothelial growth factor (VEGF) is a homodimeric hormone that induces proliferation of endothelial cells through binding to the kinase domain receptor and the Fms-like tyrosine kinase receptor (Flt-1), the extracellular portions of which consist of seven immunoglobulin domains. We show that the second and third domains of Flt-1 are necessary and sufficient for binding VEGF with near-native affinity, and that domain 2 alone binds only 60-fold less tightly than wild-type. The crystal structure of the complex between VEGF and the second domain of Flt-1 shows domain 2 in a predominantly hydrophobic interaction with the "poles" of the VEGF dimer. Based on this structure and on mutational data, we present a model of VEGF bound to the first four domains of Flt-1.

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.

The Fab portion of a humanized antibody (Fab-12; IgG form known as rhuMAb VEGF) to vascular endothelial growth factor (VEGF) has been affinity-matured through complementarity-determining region (CDR) mutation, followed by affinity selection using monovalent phage display. After stringent binding selections at 37 degrees C, with dissociation (off-rate) selection periods of several days, high affinity variants were isolated from CDR-H1, H2, and H3 libraries. Mutations were combined to obtain cumulatively tighter-binding variants. The final variant identified here, Y0317, contained six mutations from the parental antibody. In vitro cell-based assays show that four mutations yielded an improvement of about 100-fold in potency for inhibition of VEGF-dependent cell proliferation by this variant, consistent with the equilibrium binding constant determined from kinetics experiments at 37 degrees C. Using X-ray crystallography, we determined a high-resolution structure of the complex between VEGF and the affinity-matured Fab fragment. The overall features of the binding interface seen previously with wild-type are preserved, and many contact residues are maintained in precise alignment in the superimposed structures. However, locally, we see evidence for improved contacts between antibody and antigen, and two mutations result in increased van der Waals contact and improved hydrogen bonding. Site-directed mutants confirm that the most favorable improvements as judged by examination of the complex structure, in fact, have the greatest impact on free energy of binding. In general, the final antibody has improved affinity for several VEGF variants as compared with the parental antibody; however, some contact residues on VEGF differ in their contribution to the energetics of Fab binding. The results show that small changes even in a large protein-protein binding interface can have significant effects on the energetics of interaction.

Formation of a complex between Apo2L (also called TRAIL) and its signaling receptors, DR4 and DR5, triggers apoptosis by inducing the oligomerization of intracellular death domains. We report the crystal structure of the complex between Apo2L and the ectodomain of DR5. The structure shows three elongated receptors snuggled into long crevices between pairs of monomers of the homotrimeric ligand. The interface is divided into two distinct patches, one near the bottom of the complex close to the receptor cell surface and one near the top. Both patches contain residues that are critical for high-affinity binding. A comparison to the structure of the lymphotoxin-receptor complex suggests general principles of binding and specificity for ligand recognition in the TNF receptor superfamily.