Protein assemblies have drawn much attention as platforms for biomedical applications, including gene/drug delivery and vaccine, with remarkable advantages over other materials. For the utilization of protein assembly, especially for protein delivery, functionalization with biomolecules is essential. Although there are numerous strategies for the functionalization of protein assembly, it is still hard to modulate in a simple and precise manner, even with a high efficiency. Therefore, strategies for the design and functionalization of protein assembly by modular approach for protein delivery are presented.
In chapter 1, the construction and functionalization of a protein assembly composed of human clathrin heavy chain and light chain for a targeted protein delivery, is presented. The clathrin heavy and light chains are redesigned and associated with each other, and the resulting triskelion unit further self-assembled into a clathrin assembly with the size of about 28 nm in diameter. The clathrin assembly is dual-functionalized with a protein cargo and a targeting moiety using two different orthogonal protein–ligand pairs through one-pot reaction. The functionalized clathrin assembly exhibits about a 900-fold decreased KD value for a cell-surface target due to avidity compared to a native targeting moiety. The utility of the clathrin assembly is demonstrated by an efficient delivery of a protein cargo into tumor cells in a target-specific manner, resulting in a strong cytotoxic effect. The present approach can be used in the creation of protein assemblies with multimodality.
In chapter 2, the correlation between avidity of a protein assembly and intracellular protein delivery, is presented. A ferritin core is designed and functionalized with different affinity and valency of targeting moieties for various avidity. As the affinity and valency of targeting moieties increase, an enhanced binding strength of the functionalized ferritin is observed in the molecular level. When conjugated with high-affinity targeting moiety, on the other hand, rather decreased cell-binding is observed as the valency of targeting moieties increases, implying that there is an optimal range of avidity for a maximum efficiency. A necessity of avidity modulation is demonstrated by discovering a comprehensive impact by the affinity and valency of targeting moieties on the efficient delivery of a protein cargo into tumor cells. The present approach can be used in the avidity modulation of protein assemblies universally.
In this thesis, we study two strategies, dual-functionalization and avidity modulation of protein assembly by modular approach, for protein delivery.
단백질 조립체는 다른 물질에 비해 현저한 장점을 가지고 있어, 유전자/약물 전달 및 백신을 포함한 생물 의학적 적용을 위한 수단으로써 많은 관심을 받고 있다. 특히 단백질 전달을 위해 단백질 조립체를 활용하는 경우 생체 분자를 통한 기능화가 필수적이다. 단백질 조립체의 기능화를 위한 다양한 전략들이 있지만, 높은 효율을 가지면서도 간단하고 정확한 방법으로 이를 조절하는 것은 여전히 어려운 실정이다. 따라서, 단백질 전달을 위한 단백질 조립체의 모듈식 접근법을 통한 설계 및 기능화 전략들을 제시한다.
1 장에서는 표적 단백질 전달을 위해 클라트린 중쇄 및 경쇄로 이루어진 단백질 조립체의 구성 및 기능화를 제시한다. 클라트린 중쇄 및 경쇄는 새로 설계되어 서로 결합을 이루며, 이렇게 형성된 클라트린 트리스켈리온 단위는 나아가 직경 약 28 nm 크기의 클라트린 조립체로 자가조립 된다. 클라트린 조립체는 서로 다른 두 개의 직교 단백질–리간드 쌍을 사용하는 원 포트 반응을 통해 단백질 운반체 및 표적 부분으로 이중 기능화 된다. 기능화 된 클라트린 조립체는 결합성으로 인해 세포 표면 표적에 대해 기존의 표적 부분보다 약 900배 감소된 KD 값을 나타낸다. 종양 세포에 대한 표적 특이적 방식으로 단백질 운반체의 효율적인 전달을 통해 강력한 세포독성 효과를 일으킴을 보여줌으로써 클라트린 조립체의 유용성에 대해 설명하고자 한다. 이 방법은 다중 양식을 갖는 단백질 조립체의 생성에 사용될 수 있을 것이다.
2 장에서는 단백질 조립체의 결합성과 세포 내 단백질 전달 사이의 상관관계를 제시한다. 페리틴 중심부를 설계하고 서로 다른 친화력과 결합가의 표적 부분으로 기능화 하여 서로 다른 결합성을 갖도록 한다. 표적 부분의 친화력과 결합가가 증가함에 따라, 분자 수준에서 기능화 된 페리틴의 향상된 결합 강도가 관찰된다. 반면, 높은 친화력을 갖는 표적 부분으로 기능화 되었을 때 표적 부분의 결합가가 증가할수록 오히려 세포 결합이 감소하는 것이 관찰되며, 이는 최대 효율을 위한 결합성의 최적 범위가 있음을 의미한다. 종양 세포에 대한 단백질 운반체의 효율적인 전달에 있어서 표적 부분의 친화력과 결합가의 종합적인 영향을 알아봄으로써 결합성 조절의 필요성에 대해 설명하고자 한다. 이 방법은 단백질 조립체의 결합성 조절을 위해 보편적으로 사용될 수 있을 것이다.
본 학위논문에서는 단백질 전달을 위한 두 가지 전략에 대해 고찰하는데, 모듈식 접근법을 통한 단백질 조립체의 이중 기능화와 결합성 조절에 대해 다루고자 한다.
