Production, purification and crystallization strategies for recombinant EGFR and HER2 tyrosine kinase domains as a platform for structure based drug discovery

Abstract

Abstract: The epidermal growth factor receptor (EGFR) and human epidermal growth factor receptor 2 (HER2) tyrosine kinase domains (TKDs) are critical regulators of cell signaling and play central roles in cancer progression. Due to their therapeutic relevance, structural studies of EGFR-TKD and HER2-TKD are essential for structure-based drug discovery. In this thesis, recombinant EGFR-TKD and HER2-TKD were produced, purified, and subjected to initial crystallization trials. Both genes were cloned into the pET28a(+) expression vector and expressed in Escherichia coli (E. coli). Initial expression predominantly resulted in inclusion bodies; however, solubilization was successfully achieved using sarcosyl. Expression conditions, including temperature, inducer concentration, and induction time, were systematically optimized to improve yield and solubility. Purification strategies involved size-exclusion chromatography and a reverse affinity step to remove the SUMO tag, resulting in protein preparations suitable for crystallization. Following optimization, soluble forms of both EGFR-TKD and HER2-TKD were obtained. Initial crystallization experiments yielded promising crystals for EGFR-TKD, while optimization of crystal quality for HER2-TKD is ongoing. These results establish robust production and purification workflows, providing structural platforms that can be used for future drug screening efforts and the development of novel inhibitors targeting EGFR and HER2.

Özet: Epidermal büyüme faktörü reseptörü (EGFR) ve insan epidermal büyüme faktörü reseptörü 2 (HER2) tirozin kinaz domainleri (TKD), hücresel sinyal iletiminin kritik düzenleyicileridir ve kanser progresyonunda merkezi bir rol oynarlar. Bu nedenle, EGFR- TKD ve HER2-TKD'nin yapısal olarak incelenmesi, yapı-temelli ilaç keşfi çalışmalarında büyük önem taşımaktadır. Bu tez kapsamında, rekombinant EGFR-TKD ve HER2-TKD'nin üretimi, saflaştırılması ve ilk kristalizasyon denemeleri gerçekleştirilmiştir. İlgili genler pET28a(+) ekspresyon vektörüne klonlanmış ve Escherichia coli'de eksprese edilmiştir. İlk denemelerde proteinlerin büyük kısmı inklüzyon cisimcikleri halinde elde edilmiştir; ancak sarkosil kullanımı ile başarılı bir şekilde çözünür hale getirilmiştir. Verim ve çözünürlüğü artırmak amacıyla sıcaklık, indükleyici konsantrasyonu ve indüksiyon süresi gibi koşullar optimize edilmiştir. Saflaştırma aşamalarında boyut-ayırma kromatografisi ve SUMO etiketinin uzaklaştırılması için ters afinite adımı kullanılmıştır. Bu yöntemlerle kristalizasyona uygun proteinler elde edilmiştir. Optimizasyon sonrası her iki proteinin çözünür formları elde edilmiş, EGFR-TKD için ilk kristaller başarıyla büyütülmüş, HER2-TKD için ise kristal kalitesini artırmaya yönelik çalışmalar devam etmektedir. Bu sonuçlar, gelecekte yapılacak ilaç tarama çalışmaları ve yeni inhibitörlerin geliştirilmesi için güçlü yapısal platformlar sunmaktadır.