Novel inhibitors of the tRNA-dependent amidotransferase of "Helicobacter pylori": Peptides generated by phage display and dipeptide-like compounds

Cette thèse présente la découverte de nouveaux inhibiteurs de l’amidotransférase ARNt-dépendante (AdT), et résume les connaissances récentes sur la biosynthèse du Gln-ARNtGln et de l’Asn-ARNtAsn par la voie indirecte chez la bactérie Helicobacter pylori. Dans le cytoplasme des eucaryotes, vingt acides aminés sont liés à leur ARNt correspondant par vingt aminoacyl-ARNt synthétases (aaRSs). Ces enzymes sont très spécifiques, et leur fonction est importante pour le décodage correct du code génétique. Cependant, la plupart des bactéries, dont H. pylori, sont dépourvues d’asparaginyl-ARNt synthétase et/ou de glutaminyl-ARNt synthétase. Pour former le Gln-ARNtGln, H. pylori utilise une GluRS noncanonique nommée GluRS2 qui glutamyle spécifiquement l’ARNtGln ; ensuite, une AdT trimérique, la GatCAB corrige le Glu-ARNtGln mésapparié en le transamidant pour former le Gln-ARNtGln, qui lira correctement les codons glutamine pendant la biosynthèse des protéines sur les ribosomes. La formation de l’Asn-ARNtAsn est similaire à celle du Gln-ARNtGln, et utilise la même GatCAB et une AspRS non-discriminatrice. Depuis des années 2000, la GatCAB est considérée comme une cible prometteuse pour le développement de nouveaux antibiotiques, puisqu’elle est absente du cytoplasme de l’être humain, et qu’elle est encodée dans le génome de plusieurs bactéries pathogènes. Dans le chapitre 3, nous présentons la découverte par la technique du « phage display » de peptides cycliques riches en tryptophane et en proline, et qui inhibent l’activité de la GatCAB de H. pylori. Les peptides P10 (CMPVWKPDC) et P9 (CSAHNWPNC) inhibent cette enzyme de façon compétitive par rapport au substrat Glu-ARNtGln. Leur constante d’inhibition (Ki) est 126 μM pour P10, et 392 μM pour P9. Des modèles moléculaires ont montré qu’ils lient le site actif de la réaction de transmidation catalysée par la GatCAB, grâce à la formation d’une interaction π-π entre le résidu Trp de ces peptides et le résidu Tyr81 de la sous-unité GatB, comme fait le A76 3’-terminal de l’ARNt. Dans une autre étude concernant des petits composés contenant un groupe sulfone, et qui mimiquent l’intermédiaire de la réaction de transamidation, nous avons identifié des composés qui inhibent la GatCAB de H. pylori de façon compétitive par rapport au substrat Glu-ARNtGln. Cinq fois plus petits que les peptides cycliques mentionnés plus haut, ces composés inhibent l’activité de la GatCAB avec des Ki de 139 μM pour le composé 7, et de 214 μM pour le composé 4. Ces inhibiteurs de GatCAB pourraient être utiles pour des études mécanistiques, et pourraient être des molécules de base pour le développement de nouvelles classes d’antibiotiques contre des infections causées par H. pylori.

Supercomplexes multifonctionnels chez les mitochondries, et chez E. coli

Les processus mitochondriaux tels que la réplication et la traduction sont effectués par des complexes multiprotéiques. Par contre, le métabolisme et la voie de maturation des ARN mitochondriaux (p. ex précurseurs des ARNt et des ARNr) sont habituellement traités comme une suite de réactions catalysées par des protéines séparées. L’exécution fidèle et optimale de ces processus mitochondriaux, exige un couplage étroit nécessaire pour la canalisation des intermédiaires métaboliques. Or, les évidences en faveur de l'interconnexion postulée de ces processus cellulaires sont peu nombreuses et proviennent en grande partie des interactions protéine-protéine. Contrairement à la perception classique, nos résultats révèlent l’organisation des fonctions cellulaires telles que la transcription, la traduction, le métabolisme et la régulation en supercomplexes multifonctionnels stables, dans les mitochondries des champignons (ex Saccharomyces cerevisiae, Aspergillus nidulans et Neurospora crassa), des animaux (ex Bos taurus), des plantes (B. oleracea et Arabidopsis thaliana) et chez les bactéries (ex E. coli) à partir desquelles les mitochondries descendent. La composition de ces supercomplexes chez les champignons et les animaux est comparable à celle de levure, toutefois, chez les plantes et E. coli ils comportent des différences notables (ex, présence des enzymes spécifiques à la voie de biosynthèse des sucres et les léctines chez B. oleracea). Chez la levure, en accord avec les changements dûs à la répression catabolique du glucose, nos résultats révèlent que les supercomplexes sont dynamiques et que leur composition en protéines dépend des stimulis et de la régulation cellulaire. De plus, nous montrons que l’inactivation de la voie de biosynthèse des lipides de type II (FASII) perturbe l’assemblage et/ou la biogenèse du supercomplexe de la RNase P (responsable de la maturation en 5’ des précurseurs des ARNt), ce qui suggère que de multiples effets pléiotropiques peuvent être de nature structurale entre les protéines. Chez la levure et chez E. coli, nos études de la maturation in vitro des précurseurs des ARNt et de la protéomique révèlent l’association de la RNase P avec les enzymes de la maturation d’ARNt en 3’. En effet, la voie de maturation des pré-ARNt et des ARNr, et la dégradation des ARN mitochondriaux semblent êtres associées avec la machinerie de la traduction au sein d’un même supercomplexe multifonctionnel dans la mitochondrie de la levure. Chez E. coli, nous avons caractérisé un supercomplexe similaire qui inclut en plus de la RNase P: la PNPase, le complexe du RNA degradosome, l’ARN polymérase, quatre facteurs de transcription, neuf aminoacyl-tRNA synthétases, onze protéines ribosomiques, des chaperons et certaines protéines métaboliques. Ces résultats supposent l’association physique de la transcription, la voie de maturation et d’aminoacylation des ARNt, la dégradation des ARN. Le nombre de cas où les activités cellulaires sont fonctionnellement et structurellement associées est certainement à la hausse (ex, l’éditosome et le complexe de la glycolyse). En effet, l’organisation en supercomplexe multifonctionnel représente probablement l’unité fonctionnelle dans les cellules et les analyses de ces super-structures peuvent devenir la prochaine cible de la biologie structurale.

Structural aspects of the ribosome evolution and function

Les résultats ont été obtenus avec le logiciel "Insight-2" de Accelris (San Diego, CA)

Preferred conformations and flexibility of aminoacyl side chain of penicillins

Possible conformations of penicillin G; d and l isomers of ampicillin; α-amino-α-methyl-benzyl penicillins and 3- pyridyl methyl penicillin have been studied by an energy minimization procedure using empirical potential functions. The preferred conformations of these antibiotics have been correlated with their biological activity. The conformational requirement of the antibiotic to be active against Gram-positive and Gram-negative (β-lactamase-negative) bacterial strains seems to be the same. The reduced activity of penicillin G against Gram-negative bacteria has been attributed to its lower ability to permeate the outer membrane. The flexibility of the sidechains of these antibiotics is also shown to be important for the desired biological activity.

Mechanism of aminoacylation of tRNA : Influence of spermine on the kinetics of aminoacyl-tRNA synthesis by isoleucyl- and valyl-tRNA synthetases from Mycobacterium smegmatis

Isoleucyl-tRNA synthetase has been purified to homogeneity from Mycobacterium smegmatis. The influence of spermine on the kinetics of valyl-tRNA and isoleucyl-tRNA formation has been investigated by Cleland's method (Cleland, W.W. (1963) Biochim. Biophys. Acta 67, 104–137, 173–187, 188–196). The results suggest that in the presence of spermine and suboptimal concentration of Mg2+, the formation of valyl-tRNA and isoleucyl-tRNA follows a sequential* mechanism. In the presence of an optimal concentration of Mg2+, both valyl-tRNA and isoleucyl-tRNA formation proceeds by a ping-pong mechanism. However, in the presence of spermine and optimal concentrations of Mg2+, valyl-tRNA formation follows the ping-pong mechanism while isoleucyl-tRNA formation follows the sequential mechanism.

Variations in the Levels of Chloroplast tRNAs and Aminoacyl-tRNA Synthetases in Senescing Leaves of Phaseolus vulgaris

The relative amounts of chloroplast tRNAs(Leu), tRNA(Glu), tRNA(Phe), tRNAs(Thr), and tRNA(Tyr) and of chloroplastic and cytoplasmic aminoacyl-tRNA synthetases were compared in green leaves, yellowing senescing leaves, and N(6)-benzyladenine-treated senescing leaves from bean (Phaseolus vulgaris, var Contender). Aminoacylation of the tRNAs using Escherichia coli aminoacyl-tRNA synthetases indicated that in senescing leaves the relative amount of chloroplast tRNA(Phe) was significantly lower than in green leaves. Senescing leaves treated with N(6)-benzyladenine contained higher levels of this tRNA than untreated senescing leaves. No significant change in the relative amounts of chloroplast tRNAs(Leu), tRNAs(Thr), and tRNA(Tyr) was detected in green, yellow senescing, or N(6)-benzyladine-treated senescing leaves. Relative levels of chloroplast tRNAs were also estimated by hybridization of tRNAs to DNA blots of gene specific probes. These experiments confirmed the results obtained by aminoacylation and revealed in addition that the relative level of chloroplast tRNA(Glu) is higher in senescing leaves than in green leaves. Transcription run-on assays indicated that these changes in tRNA levels are likely to be due to a differential rate of degradation rather than to a differential rate of transcription of the tRNA genes. Chloroplastic and cytoplasmic leucyl-, phenylalanyl-, and tyrosyl-tRNA synthetase activities were greatly reduced in senescing leaves as compared to green leaves, whereas N(6)-benzyladenine-treated senescing leaves contained higher enzyme activities than untreated senescing leaves. These results suggest that during senescence, as well as during senescence-retardation by cytokinins, changes in enzyme activities, such as aminoacyl-tRNA synthetases, rather than reduced levels of tRNAs, affect the translational capacity of chloroplasts.

Evolution of structures and specific recognitions in aminoacyl-tRNA synthetases

The aminoacyl-tRNA synthetases (AARS) are very important during the protein biosynthesis, which can make the gene sequence be accurately translated into the protein sequence by the specific recognition between AARS and tRNA/amino acids. However, the recog

Burkholderia cenocepacia and Salmonella enterica ArnT proteins that transfer 4-amino-4-deoxy-L-arabinose to lipopolysaccharide share membrane topology and functional amino acids

We recently demonstrated that incorporation of 4-amino-4-deoxy-l-arabinose (l-Ara4N) to the lipid A moiety of lipopolysaccharide (LPS) is required for transport of LPS to the outer membrane and viability of the Gram-negative bacterium Burkholderia cenocepacia. ArnT is a membrane protein catalyzing the transfer of l-Ara4N to the LPS molecule at the periplasmic face of the inner membrane, but its topology and mechanism of action are not well characterized. Here, we elucidate the topology of ArnT and identify key amino acids that likely contribute to its enzymatic function. PEGylation assays using a cysteineless version of ArnT support a model of 13 transmembrane helices and a large C-terminal region exposed to the periplasm. The same topological configuration is proposed for the Salmonella enterica serovar Typhimurium ArnT. Four highly conserved periplasmic residues in B. cenocepacia ArnT, tyrosine-43, lysine-69, arginine-254 and glutamic acid-493, were required for activity. Tyrosine-43 and lysine-69 span two highly conserved motifs, 42RYA44 and 66YFEKP70, that are found in ArnT homologues from other species. The same residues in S. enterica ArnT are also needed for function. We propose these aromatic and charged amino acids participate in either undecaprenyl phosphate-l-Ara4N substrate recognition or transfer of l-Ara4N to the LPS.

ArnT proteins that catalyse the glycosylation of lipopolysaccharide share common features with bacterial N-oligosaccharyltransferases

ArnT is a glycosyltransferase that catalyses the addition of 4-amino-4-deoxy-L-arabinose (L-Ara4N) to the lipid A moiety of the lipopolysaccharide. This is a critical modification enabling bacteria to resist killing by antimicrobial peptides. ArnT is an integral inner membrane protein consisting of 13 predicted transmembrane helices and a large periplasmic C-terminal domain. We report here the identification of a functional motif with a canonical consensus sequence DEXRYAX(5)MX(3)GXWX(9)YFEKPX(4)W spanning the first periplasmic loop, which is highly conserved in all ArnT proteins examined. Site-directed mutagenesis demonstrated the contribution of this motif in ArnT function, suggesting that these proteins have a common mechanism. We also demonstrate that the Burkholderia cenocepacia and Salmonella enterica serovar Typhimurium ArnT C-terminal domain is required for polymyxin B resistance in vivo. Deletion of the C-terminal domain in B. cenocepacia ArnT resulted in a protein with significantly reduced in vitro binding to a lipid A fluorescent substrate and unable to catalyse lipid A modification with L-Ara4N. An in silico predicted structural model of ArnT strongly resembled the tertiary structure of Campylobacter lari PglB, a bacterial oligosaccharyltransferase involved in protein N-glycosylation. Therefore, distantly related oligosaccharyltransferases from ArnT and PglB families operating on lipid and polypeptide substrates, respectively, share unexpected structural similarity that could not be predicted from direct amino acid sequence comparisons. We propose that lipid A and protein glycosylation enzymes share a conserved catalytic mechanism despite their evolutionary divergence.

Comparative time-course study of aminoacyl- and dipeptidyl-resin hydrolysis

The classic hydrolysis procedure for quantification of resin-bound aminoacyl and peptidyl groups with 12 N HCl: propionic acid was recvaluated by studying the influence of the nature of the resin and the resin-bound group. Their stability during acid hydrolysis was dependent on the C-terminal amino acid, and the order of acid stability was Phe > Val > Gly. Otherwise, the dipeptides Ala-Gly, Ala-Val, and Ala-Phe displayed enhanced rates of hydrolysis of the resin if compared with their parent aminoacyl groups. Amongthe resins assayed, the order of acid stability was: benzhydrylamine-resin > p-methylbenzhydrylamine-resin ≅4-(oxymethyl)-phenylacetamidomethyl-resin > chloromethyl-copolymer of styrene-1%-divinylbenzene. Important for peptide synthesis method, the findings demonstrate that longer hydrolysis times than previously recommended in the literature (1 h at 130°C and 15 min at 160°C for peptides attached to the chloromethyl-copolymer of styrene-1%-divinylbenzene) are necessary for the quantitative acid-catalyzed cleavage of some resin-bound groups. The observed broad range of hydrolysis time varied from less than 1 h to about 100 h.

The use of AARS activity as a proxy for zooplankton and ichthyoplankton growth rates

Programa de doctorado en Oceanografía

Arnt van Tricht : Werkkatalog eines Bildhauers am Niederrhein im 16. Jahrhundert

Arnt van Tricht, gest. 1570, unterhielt bis in die späten 50er Jahre des 16. Jahrhunderts, wahrschein-lich aus Antwerpen kommend, in Kalkar am Niederrhein eine sehr erfolgreiche Werkstatt. Die bis dahin vorherrschende spätgotische Formensprache der langjährig ansässigen Bildhauer löste er durch die der Renaissance ab, führte jedoch deren Arbeitsfelder und Materialwahl weiter. Arnt van Tricht schuf Arbeiten sowohl religiöser als auch profaner Natur innerhalb des Gebiets der damals sehr bedeutenden Vereinigten Herzogtümer Kleve-Mark-Jülich-Berg und Geldern. Seine wohlhabenden Auftraggeber entstammten dem Klerus, der Bürgerschaft und dem Adel.rnIm Rahmen der Arbeit zeigte sich, dass sich für den Künstler die Verlegung der herzoglichen Residenz nach Düsseldorf und der wirtschaftliche Niedergang der Region letztlich stärker auswirkte als die religiösen Veränderungen durch die Reformation.rnArnt van Tricht schuf die meisten seiner religiösen Bildwerke für die Stiftskirche St. Viktor in Xanten, die durch die Bürgerschaft ausgestattete Pfarrkirche von St. Nicolai in Kalkar und umliegende Gemeinden. Einzelne Stücke sind, wohl über familiäre Verflechtungen vermittelt, in einem weiteren Radius zu finden. Van Tricht arbeitete Schnitzretabel mitsamt ihrer ornamentalen und figuralen Aus-stattung sowie Skulpturen(-gruppen) in Eichenholz. Daneben finden sich im Werk zahlreiche in Sandstein gearbeitete Skulpturen, die teilweise an Pfeilern und Portalen der Kirchen architektur-gebunden sind. Neben diesen rundplastischen Werken schuf Arnt van Tricht eine große Anzahl an steinernen Reliefarbeiten. Hierbei nehmen die überwiegend für die lokalen Kanoniker gearbeiteten Epitaphien mit biblischem Reliefbild in Ornamentrahmen den größten Teil ein.rnEin zweiter, gleichwertiger Werkkomplex, überwiegend in Sandstein gearbeitet, ist profaner Natur und fällt durch die Größe der Aufträge ins Gewicht. Arnt van Tricht war an einigen groß angelegten Modernisierungsprojekten an Stadthäusern und Kastellen des lokalen Adels beschäftigt. Für mehrere aufwendig gestaltete Fassadendekorationen arbeitete er Architekturglieder mit figürlicher Darstellung oder Ornament, Büsten und freiplastische Skulpturen. Arnt van Tricht war aber auch an der Aus-gestaltung der Innenräume beteiligt. Aufwendig skulptierte und reliefverzierte Kaminverkleidungen stehen dabei neben reduzierteren Arbeiten für offensichtlich weniger repräsentative Räume. Neben in Eichenholz gearbeiteter Vertäfelung schuf Arnt van Tricht hölzerne figurale Handtuchhalter. Diese zeigen, wie auch die Reliefbilder der Kamine, die darüber hinaus Wappen und Porträts der Bauherren aufnehmen, eine religiöse oder profane, auch antikisierende Thematik, bei der ein moralisierender Unterton mitschwingt.rnIn dieser Arbeit werden erstmals alle Werkstücke des Künstlers zusammengeführt dargestellt, so dass ein Werkkatalog mit einem Überblick über das sehr breit gefächerte Spektrum des Opus Arnt van Trichts vorliegt. Häufig durch bloße Nennung mit Arnt van Tricht in Verbindung gebrachte Arbeiten werden bewertet und die Zu- oder Abschreibung begründet. Auch können einige Stücke neu zugeschrieben werden.

Handling mammalian mitochondrial tRNAs and aminoacyl-tRNA synthetases for functional and structural characterization

The mammalian mitochondrial (mt) genome codes for only 13 proteins, which are essential components in the process of oxidative phosphorylation of ADP into ATP. Synthesis of these proteins relies on a proper mt translation machinery. While 22 tRNAs and 2 rRNAs are also coded by the mt genome, all other factors including the set of aminoacyl-tRNA synthetases (aaRSs) are encoded in the nucleus and imported. Investigation of mammalian mt aminoacylation systems (and mt translation in general) gains more and more interest not only in regard of evolutionary considerations but also with respect to the growing number of diseases linked to mutations in the genes of either mt-tRNAs, synthetases or other factors. Here we report on methodological approaches for biochemical, functional, and structural characterization of human/mammalian mt-tRNAs and aaRSs. Procedures for preparation of native and in vitro transcribed tRNAs are accompanied by recommendations for specific handling of tRNAs incline to structural instability and chemical fragility. Large-scale preparation of mg amounts of highly soluble recombinant synthetases is a prerequisite for structural investigations that requires particular optimizations. Successful examples leading to crystallization of four mt-aaRSs and high-resolution structures are recalled and limitations discussed. Finally, the need for and the state-of-the-art in setting up an in vitro mt translation system are emphasized. Biochemical characterization of a subset of mammalian aminoacylation systems has already revealed a number of unprecedented peculiarities of interest for the study of evolution and forensic research. Further efforts in this field will certainly be rewarded by many exciting discoveries.