Producción de la enzima humana recombinante alfa-N-acetilglucosaminadasa (NAGLU) en dos cepas de Pichia sp. como alternativa para el desarrollo de una terapia de reemplazo enzimático (TRE) para Sanfilippo III-B

Las enfermedades de depósito lisosomal (EDL) son un grupo de desórdenes monogénicos causados por mutaciones que resultan en la deficiencia de actividad enzimática de la proteína para la cual codifican, lo cual trae como consecuencia la acumulación de sustratos no degradados en el lisosoma. Las mucopolisacaridosis (MPS) constituyen un grupo de EDL que se caracteriza por mutaciones que afectan la actividad enzimática de proteínas encargadas de degradar glucosaminoglicanos (GAGs). Específicamente la MPS IIIB o Sanfilippo IIIB, es generada por la acumulación y bloqueo del catabolismo del heparán sulfato (HS), debido a mutaciones en el gen NAGLU, el cual codifica para la enzima N-acetil-alfa-glucosaminidasa (NAGLU) [5]. A pesar que se han evaluado diferentes alternativas de tratamiento, a la fecha no existen terapias aprobadas para este trastorno. Entre las diferentes opciones, se encuentra la terapia de reemplazo de enzimático (TRE), mediante la administración exógena de una enzima recombinante funcional. Esta ha sido aprobada para once EDL; y sigue representando una alternativa viable para el tratamiento de enfermedades con compromiso del SNC, con miras a obtener enzimas recombinantes eficientes y de bajo costo para ser entregadas a SNC a través de diferentes estrategias que garanticen el paso a través de barrera hematoencefálica. Muchas proteínas recombinantes usadas para TRE han sido producidas en células de mamífero, el cual ha resultado en un sistema de expresión costoso y con limitados rendimientos de producción. Esto se ha mejorado considerablemente usando microorganismos como plataformas de producción. Nuestro grupo de investigación ha demostrado que el uso de levaduras, tanto nativas como modificadas genéticamente en su ruta de N-glicosilación, son una herramienta útil y eficiente en la producción de enzimas lisosomales activas y funcionales como la N-acetil-galactosamina-6-sulfatasa (GALNS), iduronato-2-sulfato sulfatasa (IDS) y β-hexosaminidasas (Hex-A y Hex-B) . En la actualidad no existe terapia aprobada contra la enfermedad, por lo cual, los pacientes diagnosticados reciben tratamientos para el manejo sintomático y de soporte vital. La TRE ha sido una alternativa terapéutica eficiente en otras EDL como Gaucher, Pompe, Hunter, Hurler y Fabry, así como en diversas mucopolisacaridosis, en las cuales se ha evidenciado mejoría en el funcionamiento de los órganos afectados y disminución significativa de las sintomatologías específicas de cada enfermedad, gracias, en gran medida, a la reducción de los sustratos almacenados. Para el desarrollo de una TRE es necesario contar con un buen sistema de expresión para la obtención de la enzima exógena. La mayoría de las enzimas recombinantes aprobadas para estas enfermedades han sido obtenidas empleando células de mamífero, siendo este un sistema costo y de largos periodos de incubación. Actualmente, las levaduras han sido utilizadas como alternativa, ya que ofrece ventajas como su bajo costo de producción y la obtención de proteínas recombinantes con características fisicoquímicas similares a las de la proteína humana. A pesar de que diferentes estrategias de tratamiento han sido exploradas para la MPS IIIB, a la fecha no se cuenta con una terapia aprobada. La TRE representa una de las principales alternativas debido al conocimiento acumulado con las TRE aprobadas para otras EDL y en la producción de proteínas lisosomales recombinantes en diferentes sistemas de expresión. Para el caso de la MPS IIIB el uso de otros sistemas de producción de hrNAGLU diferentes a células de mamífero no ha sido muy efectivo, lo cual ha limitado la posibilidad de obtener una enzima con nuevas propiedades fisicoquímicas y biológicas, así como reducir los costos actuales de la TRE. En este sentido, es evidente la necesidad de explorar nuevas plataformas de expresión que permitan obtener la enzima hrNAGLU biológicamente activa, con capacidad de ser internalizada, localizada en el lisosoma y que degrade los sustratos acumulados, para que pueda ser empleada en el desarrollo de una futura TRE para la MPS IIIB. JUSTIFICACIÓN Las enfermedades raras son desórdenes de baja frecuencia a nivel mundial. Dentro de ellas, las enfermedades de depósito lisosomal (EDL), han sido reportadas como el grupo de errores innatos del metabolismo más común a nivel mundial afectando 1 de cada 5.000 nacidos vivos. Las manifestaciones clínicas de estas enfermedades son variables, progresivas y deteriorantes y muchas de ellas no cuentan con una terapia efectiva para su tratamiento. En Colombia, no se conocen datos específicos de la incidencia de las EDL, sin embargo, gracias a la implementación de la Ley Colombiana de Enfermedades Huérfanas (Ley 1392 de 2010), se ha comenzado a ofrecer información valiosa sobre la epidemiología de las enfermedades raras en Colombia a través del Sistema Nacional de Vigilancia en Salud Pública (SIVIGILA), del Instituto Nacional de Salud. En 2019, SIVIGILA reportó 11 casos de pacientes confirmados con MPS III en el país; estableciendo que para algunas regiones de en Colombia, como Boyacá, las incidencias son de 2,8 por cada 100.000 habitantes, las cuales son más altas que las reportadas internacionalmente para este tipo de MPS [16], sin obtener resultados satisfactorios, pues la enzima no ha sido suficientemente activa, ni eficiente en la reducción de sustratos acumulados. Sin embargo, nuestro grupo ha logrado demostrar que Pichia pastoris como plataforma de expresión, ha sido útil y eficiente en la producción de enzimas lisosomales activas y funcionales como GALNS Rodríguez-López20169[17]9917Rodríguez-López, AlexanderAlméciga-Díaz, Carlos J.Sánchez, JhonnathanMoreno, JeffersonBeltran, LauraDíaz, DennisPardo, AndreaRamírez, Aura MaríaEspejo-Mojica, Angela J.Pimentel, LuisaBarrera, Luis A.Recombinant human N-acetylgalactosamine-6-sulfate sulfatase (GALNS) produced in the methylotrophic yeast Pichia pastorisScientific ReportsScientific Reports2932962016The Author(s)Articlehttps://doi.org/10.1038/srep2932910.1038/srep29329 https://www.nature.com/articles/srep29329#supplementary-information[17], IDS Pimentel201812[10]121217Pimentel, NataliaRodríguez-Lopez, AlexanderDíaz, SergioLosada, Juan C.Díaz-Rincón, Dennis J.Cardona, CarolinaEspejo-Mojica, Ángela J.Ramírez, Aura M.Ruiz, FredyLandázuri, PatriciaPoutou-Piñales, Raúl A.Cordoba-Ruiz, Henry A.Alméciga-Díaz, Carlos J.Barrera-Avellaneda, Luis A.Production and characterization of a human lysosomal recombinant iduronate-2-sulfatase produced in Pichia pastorisBiotechnology and Applied BiochemistryBiotechnology and Applied Biochemistry655-66465520180885-4513https://iubmb.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/bab.166010.1002/bab.1660[10], Hex-A y Hex-B Espejo-Mojica20167[9]7717Espejo-Mojica, Angela J.Mosquera, AngelaRodrfguez-Lopez, AlexanderDiaz, DennisBeltran, LauraHernandez, Francy LilianaAlméciga-Diaz, Carlos J.Barrera, Luis A.Characterization of recombinant human lysosomal beta-hexosaminidases produced in the methylotrophic yeast Pichia pastorisUniversitas ScientiarumUniversitas Scientiarum195-2172120160122-7483http://www.scielo.org.co/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0122-74832016000300195&nrm=iso[9], las cuales redujeron sustratos acumulados en diferentes líneas celulares. Por esta razón, y contando con nuestra experiencia en el manejo de este sistema de expresión, el uso de genes optimizados y el conocimiento de procesos estandarizados de cultivo para su expresión a diferentes escalas, en este trabajo realizaremos la producción de la enzima NAGLU humana recombinante (hrNAGLU) usando Pichia pastoris NRRLY-11430 nativa y modificada mediante glicoingeniería (DOCH1) como sistemas de expresión. Luego evaluaremos su internalización y direccionamiento en líneas celulares neuronales del Grupo de bioquímica experimental y computacional (PUJ), así como su capacidad de reducción de sustrato acumulado en células madre neuronales obtenidas a partir de fibroblastos de pacientes MPS IIIB, en el National Center for Advancing Translational Sciences (NCATS) con el Dr Wei-Sheng, con quien hemos trabajado en la evaluación de la hrHex-A obtenida en Pichia pastoris sobre iPSCs neuronales de pacientes con GM2 [18] Vu201815[18]151517Vu, MylinhLi, RongBaskfield, AmandaLu, BillyFarkhondeh, AtenaGorshkov, KirillMotabar, OmidBeers, JeanetteChen, GuokaiZou, JizhongEspejo-Mojica, Angela J.Rodríguez-López, AlexanderAlméciga-Díaz, Carlos J., Barrera, Luis A.Jiang, XuntianOry, Daniel S.Marugan, Juan J.and Zheng Wei.Neural stem cells for disease modeling and evaluation of therapeutics for Tay-Sachs diseaseOrphanet Journal of Rare DiseasesOrphanet Journal of Rare Diseases131522018doi.org/10.1186/s13023-018-0886-3. Esto nos permitirá abrir paso a futuras investigaciones relacionadas con el direccionamiento de la enzima a SNC, y facilitará el desarrollo de otras alternativas de tratamiento como es el uso de chaperonas farmacológicas.