La tagatose-1,6-bisphosphate aldolase et la fructose-1,6-bisphosphate aldolase de classe I : mécanisme et stéréospécificité

La tagatose-1,6-biphosphate aldolase de Streptococcus pyogenes est une aldolase qui fait preuve d'un remarquable manque de spécificité vis à vis de ses substrats. En effet, elle catalyse le clivage réversible du tagatose-1,6-bisphosphate (TBP), mais également du fructose-1,6-bisphosphate (FBP), du sorbose-1,6-bisphosphate et du psicose-1,6-bisphosphate, quatre stéréoisomères, en dihydroxyacétone phosphate (DHAP) et en glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P). Aldolase de classe I, qui donc catalyse sa réaction en formant un intermédiaire covalent obligatoire, ou base de Schiff, avec son susbtrat, la TBP aldolase de S. pyogenes partage 14 % d’identité avec l’enzyme modèle de cette famille, la FBP aldolase de muscle de mammifère. Bien que le mécanime catalytique de la FBP aldolase des mammifères ait été examiné en détails et qu’il soit approprié d’en tirer des renseignements quant à celui de la TBP aldolase, le manque singulier de stéréospécificité de cette dernière tant dans le sens du clivage que celui de la condensation n’est toujours pas éclairci. Afin de mettre à jour les caractéristiques du mécanisme enzymatique, une étude structurale de la TBP aldolase de S. pyogenes, un pathogène humain extrêmement versatile, a été entreprise. Elle a permis la résolution des structures de l’enzyme native et mutée, en complexe avec des subtrats et des inhibiteurs compétitifs, à des résolutions comprises entre 1.8 Å et 2.5 Å. Le trempage des cristaux de TBP aldolase native et mutante dans une solution saturante de FBP ou TBP a en outre permis de piéger un authentique intermédiaire covalent lié à la Lys205, la lysine catalytique. La determination des profils pH de la TBP aldolase native et mutée, entreprise afin d'évaluer l’influence du pH sur la réaction de clivage du FBP et TBP et ìdentifier le(s) résidu(s) impliqué(s), en conjonction avec les données structurales apportées par la cristallographie, ont permis d’identifier sans équivoque Glu163 comme résidu responsable du clivage. En effet, le mode de liaison sensiblement différent des ligands utilisés selon la stéréochimie en leur C3 et C4 permet à Glu163, équivalent à Glu187 dans la FBP aldolase de classe I, d’abstraire le proton sur l’hydroxyle du C4 et ainsi d’amorcer le clivage du lien C3-C4. L’étude du mécanimse inverse, celui de la condensation, grâce par exemple à la structure de l’enzyme native en complexe avec ses substrats à trois carbones le DHAP et le G3P, a en outre permis d’identifier un isomérisme du substrat G3P comme possible cause de la synthèse des isomères en C4 par cette enzyme. Ce résultat, ainsi que la decouverte d’un possible isomérisme cis-trans autour du lien C2-C3 de la base de Schiff formée avec le DHAP, identifié précedemment, permet de cerner presque complètement les particularités du mécanisme de cette enzyme et d’expliquer comment elle est capable de synthétiser les quatres stéréoisomères 3(S/R), 4(S/R). De plus, la résolution de ces structures a permis de mettre en évidence trois régions très mobiles de la protéine, ce qui pourrait être relié au rôle postulé de son isozyme chez S. pyogenes dans la régulation de l’expression génétique et de la virulence de la bactérie. Enfin, la résolution de la structure du mutant Lys229→Met de la FBP aldolase de muscle en complexe avec la forme cyclique du FBP, de même que des études cristallographiques sur le mutant équivalent Lys205→Met de la TBP aldolase de S. pyogenes et des expériences de calorimétrie ont permis d’identifier deux résidus particuliers, Ala31 et Asp33 chez la FBP aldolase, comme possible cause de la discrimination de cette enzyme contre les substrats 3(R) et 4(S), et ce par encombrement stérique des substrats cycliques. La cristallographie par rayons X et la cinétique enzymatique ont ainsi permis d'avancer dans l'élucidation du mécanisme et des propriétés structurales de cette enzyme aux caractéristiques particulières.

La tagatose-1,6-bisphosphate aldolase et la fructose-1,6-bisphosphate aldolase de classe I : mécanisme et stéréospécificité

La tagatose-1,6-biphosphate aldolase de Streptococcus pyogenes est une aldolase qui fait preuve d'un remarquable manque de spécificité vis à vis de ses substrats. En effet, elle catalyse le clivage réversible du tagatose-1,6-bisphosphate (TBP), mais également du fructose-1,6-bisphosphate (FBP), du sorbose-1,6-bisphosphate et du psicose-1,6-bisphosphate, quatre stéréoisomères, en dihydroxyacétone phosphate (DHAP) et en glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P). Aldolase de classe I, qui donc catalyse sa réaction en formant un intermédiaire covalent obligatoire, ou base de Schiff, avec son susbtrat, la TBP aldolase de S. pyogenes partage 14 % d’identité avec l’enzyme modèle de cette famille, la FBP aldolase de muscle de mammifère. Bien que le mécanime catalytique de la FBP aldolase des mammifères ait été examiné en détails et qu’il soit approprié d’en tirer des renseignements quant à celui de la TBP aldolase, le manque singulier de stéréospécificité de cette dernière tant dans le sens du clivage que celui de la condensation n’est toujours pas éclairci. Afin de mettre à jour les caractéristiques du mécanisme enzymatique, une étude structurale de la TBP aldolase de S. pyogenes, un pathogène humain extrêmement versatile, a été entreprise. Elle a permis la résolution des structures de l’enzyme native et mutée, en complexe avec des subtrats et des inhibiteurs compétitifs, à des résolutions comprises entre 1.8 Å et 2.5 Å. Le trempage des cristaux de TBP aldolase native et mutante dans une solution saturante de FBP ou TBP a en outre permis de piéger un authentique intermédiaire covalent lié à la Lys205, la lysine catalytique. La determination des profils pH de la TBP aldolase native et mutée, entreprise afin d'évaluer l’influence du pH sur la réaction de clivage du FBP et TBP et ìdentifier le(s) résidu(s) impliqué(s), en conjonction avec les données structurales apportées par la cristallographie, ont permis d’identifier sans équivoque Glu163 comme résidu responsable du clivage. En effet, le mode de liaison sensiblement différent des ligands utilisés selon la stéréochimie en leur C3 et C4 permet à Glu163, équivalent à Glu187 dans la FBP aldolase de classe I, d’abstraire le proton sur l’hydroxyle du C4 et ainsi d’amorcer le clivage du lien C3-C4. L’étude du mécanimse inverse, celui de la condensation, grâce par exemple à la structure de l’enzyme native en complexe avec ses substrats à trois carbones le DHAP et le G3P, a en outre permis d’identifier un isomérisme du substrat G3P comme possible cause de la synthèse des isomères en C4 par cette enzyme. Ce résultat, ainsi que la decouverte d’un possible isomérisme cis-trans autour du lien C2-C3 de la base de Schiff formée avec le DHAP, identifié précedemment, permet de cerner presque complètement les particularités du mécanisme de cette enzyme et d’expliquer comment elle est capable de synthétiser les quatres stéréoisomères 3(S/R), 4(S/R). De plus, la résolution de ces structures a permis de mettre en évidence trois régions très mobiles de la protéine, ce qui pourrait être relié au rôle postulé de son isozyme chez S. pyogenes dans la régulation de l’expression génétique et de la virulence de la bactérie. Enfin, la résolution de la structure du mutant Lys229→Met de la FBP aldolase de muscle en complexe avec la forme cyclique du FBP, de même que des études cristallographiques sur le mutant équivalent Lys205→Met de la TBP aldolase de S. pyogenes et des expériences de calorimétrie ont permis d’identifier deux résidus particuliers, Ala31 et Asp33 chez la FBP aldolase, comme possible cause de la discrimination de cette enzyme contre les substrats 3(R) et 4(S), et ce par encombrement stérique des substrats cycliques. La cristallographie par rayons X et la cinétique enzymatique ont ainsi permis d'avancer dans l'élucidation du mécanisme et des propriétés structurales de cette enzyme aux caractéristiques particulières.

Synthesis of 3-(4-tert-butylphenyl)-2-propen-1-one, a precursor to Lilial (R), via an aldol condensation in an ionic liquid

An efficient synthesis of a precursor to Lilial(R), based on an aldol condensation in an ionic liquid, is described, utilising piperidine as the base catalyst. The yields obtained with this methodology are significantly increased in comparison with those reported in organic solvents to date. In the ionic liquid, the self-aldol condensation of propanal is suppressed and leads to an increased selectivity with respect to the cross-aldol condensation product without the need to use an excess of 4-tert-butylbenzaldehyde to obtain high selectivities.

Synthesis, crystal structures, DNA binding and cleavage activity of L-glutamine copper(II) complexes of heterocyclic bases

Ternary L-glutamine (L-gln) copper(II) complexes [Cu(L-gln)(B)(H2O)](X) (B = 2,2'-bipyridine (bpy), X = 0.5SO(4)(2-), 1; B = 1,10-phenanthroline (phen), X = ClO4-, 2) and [Cu(L-gln)(dpq)(ClO4)] (3) (dpq, dipyridoquinoxaline) are prepared and characterized by physicochemical methods. The DNA binding and cleavage activity of the complexes have been studied. Complexes 1-3 are structurally characterized by X-ray crystallography. The complexes show distorted square pyramidal (4+1) CuN3O2 coordination geometry in which the N,O-donor amino acid and the N, N-donor heterocyclic base bind at the basal plane with a H2O or perchlorate as the axial ligand. The crystal structures of the complexes exhibit chemically significant hydrogen bonding interactions besides showing coordination polymer formation. The complexes display a d-d electronic band in the range of 610-630 nm in aqueous-dimethylformamide (DMF) solution (9:1 v/v). The quasireversible cyclic voltammetric response observed near -0.1 V versus SCE in DMF-TBAP is assignable to the Cu(II)/Cu(I) couple. The binding affinity of the complexes to calf thymus (CT) DNA follows the order: 3 (dpq) > 2 (phen) >> 1 (bpy). Complexes 2 and 3 show DNA cleavage activity in dark in the presence of 3-mercaptopropionic acid (MPA) as a reducing agent via a mechanistic pathway forming hydroxyl radical as the reactive species. The dpq complex 3 shows efficient photoinduced DNA cleavage activity on irradiation with a monochromatic UV light of 365 nm in absence of any external reagent. The cleavage efficiency of the DNA minor groove binding complexes follows the order:3 > 2 >> 1. The dpq complex exhibits photocleavage of DNA on irradiation with visible light of 647.1 nm. Mechanistic data on the photo-induced DNA cleavage reactions reveal the involvement of singlet oxygen (O-1(2)) as the reactive species in a type-II pathway. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Characterization of Mycobacterium leprae RecA intein, a LAGLIDADG homing endonuclease, reveals a unique mode of DNA-binding, helical distortion and cleavage, compared to a canonical LAGLIDADG homing endonuclease

Mycobacterium leprae, which has undergone reductive evolution leaving behind a minimal set of essential genes, has retained intervening sequences in four of its genes implicating a vital role for them in the survival of the leprosy bacillus. A single in-frame intervening sequence has been found embedded within its recA gene. Comparison of M. leprae recA intervening sequence with the known intervening sequences indicated that it has the consensus amino acid sequence necessary for being a LAGLIDADG-type homing endonuclease. In light of massive gene decay and function loss in the leprosy bacillus, we sought to investigate whether its recA intervening sequence encodes a catalytically active homing endonuclease. Here we show that the purified M. leprae RecA intein (PI-MleI) binds to cognate DNA and displays endonuclease activity in the presence of alternative divalent cations, Mg2+ or Mn2+. A combination of approaches including four complementary footprinting assays such as DNase I, Cu/phenanthroline, methylation protection and KMnO4, enhancement of 2-aminopurine fluorescence and mapping of the cleavage site revealed that PI-MleI binds to cognate DNA flanking its insertion site, induces helical distortion at the cleavage site and generates two staggered double-strand breaks. Taken together, these results implicate that PI-MleI possess a modular structure with separate domains for DNA target recognition and cleavage, each with distinct sequence preferences. From a biological standpoint, it is tempting to speculate that our findings have implications for understanding the evolution of LAGLIDADG family of homing endonucleases

Novel tetranuclear distorted open-cubane copper complex containing oximate bridges: Synthesis, crystal structure, DNA binding and cleavage activity

The synthesis, molecular structure, DNA binding and nuclease activity of Cu4O4 open-cubane tetranuclear copper(II) complex with 3-2-(ethyl amino)ethyl]imino]-2-butanoneoxime (HL) are reported for the first time. The neutral tetranuclear Cu4L4(ClO4)(4)] complex crystallizes in tetragonal space group P (4) over bar2(1)c with the unit cell parameters; a = 13.798(4) angstrom, b = 13.798(4) angstrom, c = 14.119(6) angstrom, V = 2688(16) angstrom(3), Z = 8, R = 0.0636. Symmetrically equivalent copper atoms exhibit a CuN3O3 elongated distorted octahedral coordination environment, with three nitrogen atoms of the L ligand and one oxime-oxygen atom of second L ligand at equatorial positions, one oxime-oxygen atom of the third L ligand and perchlorate oxygen at axial positions. The complex shows quasireversible cyclic voltammetric response at 0.805 V (Delta E-p = 277 mV) at 100 mV s (1) in DMF for the Cu(II)/Cu(I) redox couple. The binding study of the complex with calf-thymus DNA has been investigated using absorption spectrophotometry. The complex shows strong nuclease activity on stranded pBR 322 plasmid DNA in the presence of hydrogen peroxide and marginal nuclease activity in the presence of reducing agent (dithiothreitol). (C) 2012 Elsevier B. V. All rights reserved.

Synthesis, crystal structure, DNA binding and cleavage activities of oximato bridged cationic dinuclear copper(II) complex having labile ligands

Oximato bridged dinuclear copper(II) complex Cu(L)(CH3OH)](2)(ClO4)(2) with an oxime-Schiff base ligand, viz. 3-2-(dimethylamino)ethyl]imino]-2-butanoneoxime (HL), has been synthesized and structurally characterized. The dinuclear copper(II) complex crystallizes in monoclinic space group P2(1)/n with the unit cell parameters, a = 13.3564(9) angstrom, b = 12.0821(8) angstrom, c = 17.5045(11) angstrom, beta = 90.097, V = 2824.8(3) angstrom(3), Z = 4, R = 0.0769. The complex shows quasi-reversible cyclic voltammetric response at 0.844V (Delta E-p = 276 mV) at 100 mVs(-1). The binding studies of the complex with calf thymus DNA has been investigated using absorption spectrophotometry. Cleavage activity of the complex has been carried out on double stranded pBR 322 plasmid DNA by using gel electrophoresis experiments in the absence and in the presence of the oxidant, viz., H2O2.

Synthesis, crystal structure, DNA interaction and cleavage activities of mononuclear and trinuclear copper(II) complexes

Mono- and trinuclear copper(II) complexes with 2-1-(2-dimethylamino-ethylamino)-ethyl]-phenol (HL) have been synthesized and structurally characterized. The mononuclear complex Cu(L)(H2O)(ONO2)] (1) crystallizes in monoclinic space group P2(1) /n with a square pyramidal Cu(II) center coordinated by the tridentate Schiff base (L) and a water ligand in the equatorial plane and an oxygen atom from nitrate in the axial position. The trinuclear complex (CuL)(3)(mu(3)-OH)](ClO4)(2)center dot H2O (2) crystallizes in hexagonal space group P6(3); all three copper atoms are five-coordinate with square pyramidal geometries. The interactions of these complexes with calf-thymus DNA have been investigated using absorption spectrophotometry. The mononuclear complex binds more strongly than the trinuclear complex. The DNA cleavage activity of these complexes has been studied on double-stranded pBR 322 plasmid DNA by gel electrophoresis experiments in the absence and in the presence of added oxidant (H2O2). The trinuclear complex cleaves DNA more efficiently than the mononuclear complex in the presence of H2O2.

Sequence specific recognition and cleavage of DNA by synthetic molecules

DNA recognition is an essential biological process responsible for the regulation of cellular functions including protein synthesis and cell division and is implicated in the mechanism of action of some anticancer drugs. Studies directed towards defining the elements responsible for sequence specific DNA recognition through the study of the interactions of synthetic organic ligands with DNA are described.

DNA recognition by poly-N-methylpyrrolecarboxamides was studied by the synthesis and characterization of a series of molecules where the number of contiguous N-methylpyrrolecarboxamide units was increased from 2 to 9. The effect of this incremental change in structure on DNA recognition has been investigated at base pair resolution using affinity cleaving and MPE•Fe(II) footprinting techniques. These studies led to a quantitative relationship between the number of amides in the molecule and the DNA binding site size. This relationship is called the n + 1 rule and it states that a poly-N methylpyrrolecarboxamide molecule with n amides will bind n + 1 base pairs of DNA. This rule is consistent with a model where the carboxamides of these compounds form three center bridging hydrogen bonds between adjacent base pairs on opposite strands of the helix. The poly-N methylpyrrolecarboxamide recognition element was found to preferentially bind poly dA•poly dT stretches; however, both binding site selection and orientation were found to be affected by flanking sequences. Cleavage of large DNA is also described.

One approach towards the design of molecules that bind large sequences of double helical DNA sequence specifically is to couple DNA binding subunits of similar or diverse base pair specificity. Bis-EDTA-distamycin-fumaramide (BEDF) is an octaamide dimer of two tri-N methylpyrrolecarboxamide subunits linked by fumaramide. DNA recognition by BEDF was compared to P7E, an octaamide molecule containing seven consecutive pyrroles. These two compounds were found to recognize the same sites on pBR322 with approximately the same affinities demonstrating that fumaramide is an effective linking element for Nmethylpyrrolecarboxamide recognition subunits. Further studies involved the synthesis and characterization of a trimer of tetra-N-methylpyrrolecarboxamide subunits linked by β-alanine ((P4)_(3)E). This trimerization produced a molecule which is capable of recognizing 16 base pairs of A•T DNA, more than a turn and a half of the DNA helix.

DNA footprinting is a powerful direct method for determining the binding sites of proteins and small molecules on heterogeneous DNA. It was found that attachment of EDTA•Fe(II) to spermine creates a molecule, SE•Fe(II), which binds and cleaves DNA sequence neutrally. This lack of specificity provides evidence that at the nucleotide level polyamines recognize heterogeneous DNA independent of sequence and allows SE•Fe(II) to be used as a footprinting reagent. SE•Fe(II) was compared with two other small molecule footprinting reagents, EDTA•Fe(II) and MPE•Fe(II).

Antikaon condensation and in-medium kaon and antikaon production in protoneutron stars

Antikaon condensation and kaon and antikaon production in protoneutron stars are investigated in a chiral hadronic model (also referred to as the FST model in this paper). The effects of neutrino trapping on protoneutron stars are analyzed systematically. It is shown that neutrino trapping makes the critical density of K- condensation delay to higher density and (K) over bar (0) condensation not occur. The equation of state (EOS) of (proto)neutron star matter with neutrino trapping is stiffer than that without neutrino trapping, As a result, the maximum masses of (proto)neutron stars with neutrino trapping are larger than those without neutrino trapping. If hyperons are taken into account, antikaon does not form a condensate in (Proto)neutron stars. Meanwhile, the corresponding EOS becomes much softer, and the maximum masses of (proto)neutron stars are smaller than those without hyprons. Finally, our results illustrate that the Q values for K+ and K- production in (proto)neutron stars are not sensitive to neutrino trapping and inclusion of hyperons.