Mutations in the kissing-loop hairpin of human immunodeficiency virus type 1 reduce viral infectivity as well as genomic RNA packaging and dimerization

A stem-loop termed the kissing-loop hairpin is one of the most highly conserved structures within the leader of human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) and chimpanzee immunodeficiency virus genomic RNA. Because it plays a key role in the in vitro dimerization of short HIV-1 RNA transcripts (M. Laughrea and L. Jette, Biochemistry 35:1589-1598, 1996, and references therein; M. Laughrea and L. Jette, Biochemistry 35:9366-9374, 1996, and references therein) and because dimeric RNAs may be preferably encapsidated into the HIV-1 virus, alterations of the kissing-loop hairpin might affect the in vivo dimerization and encapsidation processes. Accordingly, substitution and deletion mutations were introduced into the kissing-loop hairpin of an infectious HIV-1 molecular clone in order to produce viruses by transfection methods. The infectivity of the resulting viruses was decreased by at least 99%, the amount of genomic RNA packaged per virus was decreased by 50 to 75%, and the proportion of dimeric genomic RNA was reduced from >80 to 40 to 50%, but the dissociation temperature of the genomic RNA was unchanged. There is evidence suggesting that the deletion mutations moderately inhibited CAp24 production but had no significant effect on RNA splicing. These results are consistent with the kissing-loop model of HIV-1 RNA dimerization. In fact, because intracellular viral RNAs are probably more concentrated in transfected cells than in cells infected by one virus and because the dimerization and encapsidation processes are concentration dependent, it is likely that much larger dimerization and encapsidation defects would have been manifested within cells infected by no more than one virus.

Caractérisation structurale et thermodynamique de la reconnaissance du substrat par le ribozyme VS de Neurospora

Les interactions ARN/ARN de type kissing-loop sont des éléments de structure tertiaire qui jouent souvent des rôles clés chez les ARN, tant au niveau fonctionnel que structural. En effet, ce type d’interaction est crucial pour plusieurs processus dépendant des ARN, notamment pour l’initiation de la traduction, la reconnaissance des ARN antisens et la dimérisation de génome rétroviral. Les interactions kissing-loop sont également importantes pour le repliement des ARN, puisqu’elles permettent d’établir des contacts à longue distance entre différents ARN ou encore entre les domaines éloignés d’un même ARN. Ce type d’interaction stabilise aussi les structures complexes des ARN fonctionnels tels que les ARNt, les riborégulateurs et les ribozymes. Comme d’autres ARN fonctionnels, le ribozyme VS de Neurospora contient une interaction kissing-loop importante. Celle-ci est impliquée dans la reconnaissance du substrat et se forme entre la tige-boucle I (stem-loop I, SLI) du substrat et la tige-boucle V (stem-loop V, SLV) du domaine catalytique. Des études biochimiques ont démontré que l’interaction kissing-loop I/V, dépendante du magnésium, implique trois paires de bases Watson-Crick (W-C). De plus, cette interaction est associée à un réarrangement de la structure du substrat, le faisant passer d’une conformation inactive dite unshifted à une conformation active dite shifted. Les travaux présentés dans cette thèse consistent en une caractérisation structurale et thermodynamique de l’interaction kissing-loop I/V du ribozyme VS, laquelle est formée de fragments d’ARN représentant les tige-boucles I et V dérivées du ribozyme VS (SLI et SLV). Cette caractérisation a été réalisée principalement par spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) et par titrage calorimétrique isotherme (isothermal titration calorimetry, ITC) en utilisant différents complexes SLI/SLV dans lesquels l’ARN SLV est commun à tous les complexes, alors que différentes variations de l’ARN SLI ont été utilisées, soit en conformation shiftable ou preshifted. Les données d’ITC ont permis de démontrer qu’en présence d’une concentration saturante de magnésium, l’affinité d’un substrat SLI preshifted pour SLV est extrêmement élevée, rendant cette interaction plus stable que ce qui est prédit pour un duplexe d’ARN équivalent. De plus, l’étude effectuée par ITC montre que des ARN SLI preshifted présentent une meilleure affinité pour SLV que des ARN SLI shiftable, ce qui a permis de calculer le coût énergétique associé au réarrangement de structure du substrat. En plus de confirmer la formation des trois paires de bases W-C prédites à la jonction I/V, les études de RMN ont permis d’obtenir une preuve structurale directe du réarrangement structural des substrats SLI shiftable en présence de magnésium et de l’ARN SLV. La structure RMN d’un complexe SLI/SLV de grande affinité démontre que les boucles terminales de SLI et SLV forment chacune un motif U-turn, ce qui facilite l’appariement W-C intermoléculaire. Plusieurs autres interactions ont été définies à l’interface I/V, notamment des triplets de bases, ainsi que des empilements de bases. Ces interactions contribuent d’ailleurs à la création d’une structure présentant un empilement continu, c’est-à-dire qui se propage du centre de l’interaction jusqu’aux bouts des tiges de SLI et SLV. Ces études de RMN permettent donc de mieux comprendre la stabilité exceptionnelle de l’interaction kissing-loop I/V au niveau structural et mènent à l’élaboration d’un modèle cinétique de l’activation du substrat par le ribozyme VS. En considérant l’ensemble des données d’ITC et de RMN, l’étonnante stabilité de l’interaction I/V s’explique probablement par une combinaison de facteurs, dont les motifs U-turn, la présence d’un nucléotide exclu de la boucle de SLV (U700), la liaison de cations magnésium et l’empilement de bases continu à la jonction I/V.

Études structurales par résonance magnétique nucléaire du ribozyme VS de Neurospora

Le ribozyme VS de Neurospora catalyse des réactions de clivage et de ligation d’un lien phosphodiester spécifique essentielles à son cycle de réplication. Il est formé de six régions hélicales (I à VI), qui se divisent en deux domaines, soit le substrat (SLI) et le domaine catalytique (tiges II à VI). Ce dernier comprend deux jonctions à trois voies qui permettent de reconnaître le substrat en tige-boucle de façon spécifique. Ce mode de reconnaissance unique pourrait être exploité pour cibler des ARN repliés pour diverses applications. Bien que le ribozyme VS ait été caractérisé biochimiquement de façon exhaustive, aucune structure à haute résolution du ribozyme complet n’a encore été publiée, ce qui limite la compréhension des mécanismes inhérents à son fonctionnement. Précédemment, une approche de divide-and-conquer a été initiée afin d’étudier la structure des sous-domaines importants du ribozyme VS par spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) mais doit être complétée. Dans le cadre de cette thèse, les structures de la boucle A730 et des jonctions III-IV-V et II-III-VI ont été déterminées par spectroscopie RMN hétéronucléaire. De plus, une approche de spectroscopie RMN a été développée pour la localisation des ions divalents, tandis que diverses approches de marquage isotopique ont été implémentées pour l’étude d’ARN de plus grandes tailles. Les structures RMN de la boucle A730 et des deux jonctions à trois voies révèlent que ces sous-domaines sont bien définis, qu’ils sont formés de plusieurs éléments structuraux récurrents (U-turn, S-turn, triplets de bases et empilement coaxial) et qu’ils contiennent plusieurs sites de liaison de métaux. En outre, un modèle du site actif du ribozyme VS a été construit sur la base des similarités identifiées entre les sites actifs des ribozymes VS et hairpin. Dans l’ensemble, ces études contribuent de façon significative à la compréhension de l’architecture globale du ribozyme VS. De plus, elles permettront de construire un modèle à haute résolution du ribozyme VS tout en favorisant de futures études d’ingénierie.

Études d'ingénierie du ribozyme VS de Neurospora

Les ribozymes sont des ARN catalytiques fréquemment exploités pour le développement d’outils biochimiques et d’agents thérapeutiques. Ils sont particulièrement intéressants pour effectuer l’inactivation de gènes, en permettant la dégradation d’ARNm ou d’ARN viraux associés à des maladies. Les ribozymes les plus utilisés en ce moment pour le développement d’agents thérapeutiques sont les ribozymes hammerhead et hairpin, qui permettent la reconnaissance spécifique d’ARN simple brin par la formation de structures secondaires stables. In vivo, la majorité des ARN adoptent des structures secondaires et tertiaires complexes et les régions simples brins sont parfois difficiles d’accès. Il serait intéressant de pouvoir cibler des ARN repliés et un motif d’ARN intéressant à cibler est la tige-boucle d’ARN qui peut être importante dans le repliement global des ARN et pour accomplir des fonctions biologiques. Le ribozyme VS de Neurospora fait la reconnaissance de son substrat replié en tigeboucle de façon spécifique par une interaction kissing-loop, mais il n’a jamais été exploité pour faire la reconnaissance d’un ARN cible très différent de son substrat naturel. Le but des travaux présentés dans cette thèse est de déterminer si le ribozyme VS possède l’adaptabilité nécessaire pour l’ingénierie de ribozymes qui clivent des ARN cibles différents du substrat naturel. Dans le cadre de cette thèse, le ribozyme VS a été modifié pour l’adapter à différents substrats et des études de cinétiques ont été réalisées pour évaluer l’impact de ces modifications sur l’activité de clivage du ribozyme. Dans un premier temps, le ribozyme a été modifié pour faire la reconnaissance et le clivage de substrats possédant différentes longueurs de tiges Ib. Le ribozyme a été adapté avec succès à ces substrats de différentes longueurs de tige Ib, avec une activité qui est similaire à celle du ribozyme avec un substrat sans modification. Dans un deuxième temps, c’est l’interaction kissing-loop I/V du ribozyme qui a été substituée de façon rationnelle, dans le but de savoir si un ribozyme VS mutant peut reconnaitre et cliver un substrat ayant une boucle différente de celle de son substrat naturel. L’interaction kissing-loop I/V a été substituée pour les interactions kissing-loop TAR/TAR* de l’ARN du VIH-1 et L22/L88 de l’ARN 23S de Deinococcus radiodurans. La réaction de iii clivage des ribozymes comportant ces nouvelles interactions kissing-loop est toujours observée, mais avec une activité diminuée. Finalement, la sélection in vitro (SELEX) de ribozymes a été effectuée pour permettre un clivage plus efficace d’un substrat mutant avec une nouvelle boucle. Le SELEX a permis la sélection d’un ribozyme qui clive un substrat avec une boucle terminale mutée pour celle de l’ARN TAR du VIH-1 et cela avec une activité de clivage très efficace. L’ensemble de ces études démontre que le ribozyme VS peut être modifié de diverses façons pour la reconnaissance spécifique de différents substrats, tout en conservant une bonne activité de clivage. Ces résultats montrent le grand potentiel d’ingénierie du ribozyme VS et sont prometteurs pour la poursuite d’études d’ingénierie du ribozyme VS, en vue du clivage d’ARN cibles repliés en tige-boucle complètement différents du substrat naturel du ribozyme VS.

Études d'ingénierie du ribozyme VS de Neurospora

Les ribozymes sont des ARN catalytiques fréquemment exploités pour le développement d’outils biochimiques et d’agents thérapeutiques. Ils sont particulièrement intéressants pour effectuer l’inactivation de gènes, en permettant la dégradation d’ARNm ou d’ARN viraux associés à des maladies. Les ribozymes les plus utilisés en ce moment pour le développement d’agents thérapeutiques sont les ribozymes hammerhead et hairpin, qui permettent la reconnaissance spécifique d’ARN simple brin par la formation de structures secondaires stables. In vivo, la majorité des ARN adoptent des structures secondaires et tertiaires complexes et les régions simples brins sont parfois difficiles d’accès. Il serait intéressant de pouvoir cibler des ARN repliés et un motif d’ARN intéressant à cibler est la tige-boucle d’ARN qui peut être importante dans le repliement global des ARN et pour accomplir des fonctions biologiques. Le ribozyme VS de Neurospora fait la reconnaissance de son substrat replié en tigeboucle de façon spécifique par une interaction kissing-loop, mais il n’a jamais été exploité pour faire la reconnaissance d’un ARN cible très différent de son substrat naturel. Le but des travaux présentés dans cette thèse est de déterminer si le ribozyme VS possède l’adaptabilité nécessaire pour l’ingénierie de ribozymes qui clivent des ARN cibles différents du substrat naturel. Dans le cadre de cette thèse, le ribozyme VS a été modifié pour l’adapter à différents substrats et des études de cinétiques ont été réalisées pour évaluer l’impact de ces modifications sur l’activité de clivage du ribozyme. Dans un premier temps, le ribozyme a été modifié pour faire la reconnaissance et le clivage de substrats possédant différentes longueurs de tiges Ib. Le ribozyme a été adapté avec succès à ces substrats de différentes longueurs de tige Ib, avec une activité qui est similaire à celle du ribozyme avec un substrat sans modification. Dans un deuxième temps, c’est l’interaction kissing-loop I/V du ribozyme qui a été substituée de façon rationnelle, dans le but de savoir si un ribozyme VS mutant peut reconnaitre et cliver un substrat ayant une boucle différente de celle de son substrat naturel. L’interaction kissing-loop I/V a été substituée pour les interactions kissing-loop TAR/TAR* de l’ARN du VIH-1 et L22/L88 de l’ARN 23S de Deinococcus radiodurans. La réaction de iii clivage des ribozymes comportant ces nouvelles interactions kissing-loop est toujours observée, mais avec une activité diminuée. Finalement, la sélection in vitro (SELEX) de ribozymes a été effectuée pour permettre un clivage plus efficace d’un substrat mutant avec une nouvelle boucle. Le SELEX a permis la sélection d’un ribozyme qui clive un substrat avec une boucle terminale mutée pour celle de l’ARN TAR du VIH-1 et cela avec une activité de clivage très efficace. L’ensemble de ces études démontre que le ribozyme VS peut être modifié de diverses façons pour la reconnaissance spécifique de différents substrats, tout en conservant une bonne activité de clivage. Ces résultats montrent le grand potentiel d’ingénierie du ribozyme VS et sont prometteurs pour la poursuite d’études d’ingénierie du ribozyme VS, en vue du clivage d’ARN cibles repliés en tige-boucle complètement différents du substrat naturel du ribozyme VS.

STRUCTURAL ANALYSIS OF RIBOSOME BINDING ELEMENTS OF THE 3´ UTR IN TWO POSITIVE-STRAND PLANT RNA VIRUSES

Turnip crinkle virus (TCV) and Pea enation mosaic virus (PEMV) are two positive (+)-strand RNA viruses that are used to investigate the regulation of translation and replication due to their small size and simple genomes. Both viruses contain cap-independent translation elements (CITEs) within their 3´ untranslated regions (UTRs) that fold into tRNA-shaped structures (TSS) according to nuclear magnetic resonance and small angle x-ray scattering analysis (TCV) and computational prediction (PEMV). Specifically, the TCV TSS can directly associate with ribosomes and participates in RNA-dependent RNA polymerase (RdRp) binding. The PEMV kissing-loop TSS (kl-TSS) can simultaneously bind to ribosomes and associate with the 5´ UTR of the viral genome. Mutational analysis and chemical structure probing methods provide great insight into the function and secondary structure of the two 3´ CITEs. However, lack of 3-D structural information has limited our understanding of their functional dynamics. Here, I report the folding dynamics for the TCV TSS using optical tweezers (OT), a single molecule technique. My study of the unfolding/folding pathways for the TCV TSS has provided an unexpected unfolding pathway, confirmed the presence of Ψ3 and hairpin elements, and suggested an interconnection between the hairpins and pseudoknots. In addition, this study has demonstrated the importance of the adjacent upstream adenylate-rich sequence for the formation of H4a/Ψ3 along with the contribution of magnesium to the stability of the TCV TSS. In my second project, I report on the structural analysis of the PEMV kl-TSS using NMR and SAXS. This study has re-confirmed the base-pair pattern for the PEMV kl-TSS and the proposed interaction of the PEMV kl-TSS with its interacting partner, hairpin 5H2. The molecular envelope of the kl-TSS built from SAXS analysis suggests the kl-TSS has two functional conformations, one of which has a different shape from the previously predicted tRNA-shaped form. Along with applying biophysical methods to study the structural folding dynamics of RNAs, I have also developed a technique that improves the production of large quantities of recombinant RNAs in vivo for NMR study. In this project, I report using the wild-type and mutant E.coli strains to produce cost-effective, site-specific labeled, recombinant RNAs. This technique was validated with four representative RNAs of different sizes and complexity to produce milligram amounts of RNAs. The benefit of using site-specific labeled RNAs made from E.coli was demonstrated with several NMR techniques.

RNA-Strukturen im Hepatitis-C-Virus und ihre Bedeutung für Translation und Replikation

Das Hepatitis C Virus (HCV) ist ein umhülltes Virus aus der Familie der Flaviviridae. Es besitzt ein Plusstrang-RNA Genom von ca. 9600 Nukleotiden Länge, das nur ein kodierendes Leseraster besitzt. Das Genom wird am 5’ und 3’ Ende von nicht-translatierten Sequenzen (NTRs) flankiert, welche für die Translation und vermutlich auch Replikation von Bedeutung sind. Die 5’ NTR besitzt eine interne Ribosomeneintrittsstelle (IRES), die eine cap-unabhängige Translation des ca. 3000 Aminosäure langen viralen Polyproteins erlaubt. Dieses wird ko- und posttranslational von zellulären und viralen Proteasen in 10 funktionelle Komponenten gespalten. Inwieweit die 5’ NTR auch für die Replikation der HCV RNA benötigt wird, war zu Beginn der Arbeit nicht bekannt. Die 3’ NTR besitzt eine dreigeteilte Struktur, bestehend aus einer variablen Region, dem polyU/UC-Bereich und der sogenannten X-Sequenz, eine hochkonservierte 98 Nukleotide lange Region, die vermutlich für die RNA-Replikation und möglicherweise auch für die Translation benötigt wird. Die genuae Rolle der 3’ NTR für diese beiden Prozesse war zu Beginn der Arbeit jedoch nicht bekannt. Ziel der Dissertation war deshalb eine detaillierte genetische Untersuchung der NTRs hinsichtlich ihrer Bedeutung für die RNA-Translation und -Replikation. In die Analyse mit einbezogen wurden auch RNA-Strukturen innerhalb der kodierenden Region, die zwischen verschiedenen HCV-Genotypen hoch konserviert sind und die mit verschiedenen computer-basierten Modellen vorhergesagt wurden. Zur Kartierung der für RNA-Replikation benötigten Minimallänge der 5’ NTR wurde eine Reihe von Chimären hergestellt, in denen unterschiedlich lange Bereiche der HCV 5’ NTR 3’ terminal mit der IRES des Poliovirus fusioniert wurden. Mit diesem Ansatz konnten wir zeigen, dass die ersten 120 Nukleotide der HCV 5’ NTR als Minimaldomäne für Replikation ausreichen. Weiterhin ergab sich eine klare Korrelation zwischen der Länge der HCV 5’ NTR und der Replikationseffizienz. Mit steigender Länge der 5’ NTR nahm auch die Replikationseffizienz zu, die dann maximal war, wenn das vollständige 5’ Element mit der Poliovirus-IRES fusioniert wurde. Die hier gefundene Kopplung von Translation und Replikation in der HCV 5’ NTR könnte auf einen Mechanismus zur Regulation beider Funktionen hindeuten. Es konnte allerdings noch nicht geklärt werden, welche Bereiche innerhalb der Grenzen des IRES-Elements genau für die RNA-Replikation benötigt werden. Untersuchungen im Bereich der 3’ NTR ergaben, dass die variable Region für die Replikation entbehrlich, die X-Sequenz jedoch essentiell ist. Der polyU/UC-Bereich musste eine Länge von mindestens 11-30 Uridinen besitzen, wobei maximale Replikation ab einer Länge von 30-50 Uridinen beobachtet wurde. Die Addition von heterologen Sequenzen an das 3’ Ende der HCV-RNA führte zu einer starken Reduktion der Replikation. In den hier durchgeführten Untersuchungen zeigte keines der Elemente in der 3’ NTR einen signifikanten Einfluss auf die Translation. Ein weiteres cis aktives RNA-Element wurde im 3’ kodierenden Bereich für das NS5B Protein beschrieben. Wir fanden, dass Veränderungen dieser Struktur durch stille Punktmutationen die Replikation hemmten, welche durch die Insertion einer intakten Version dieses RNA-Elements in die variable Region der 3’ NTR wieder hergestellt werden konnte. Dieser Versuchsansatz erlaubte die genaue Untersuchung der für die Replikation kritischen Strukturelemente. Dadurch konnte gezeigt werden, dass die Struktur und die Primärsequenz der Loopbereiche essentiell sind. Darüber hinaus wurde eine Sequenzkomplementarität zwischen dem Element in der NS5B-kodierenden Region und einem RNA-Bereich in der X-Sequenz der 3’ NTR gefunden, die eine sog. „kissing loop“ Interaktion eingehen kann. Mit Hilfe von gezielten Mutationen konnten wir zeigen, dass diese RNA:RNA Interaktion zumindest transient stattfindet und für die Replikation des HCV essentiell ist.

Intramolecular secondary structure rearrangement by the kissing interaction of the Neurospora VS ribozyme

Kissing interactions in RNA are formed when bases between two hairpin loops pair. Intra- and intermolecular kissing interactions are important in forming the tertiary or quaternary structure of many RNAs. Self-cleavage of the wild-type Varkud satellite (VS) ribozyme requires a kissing interaction between the hairpin loops of stem-loops I and V. In addition, self-cleavage requires a rearrangement of several base pairs at the base of stem I. We show that the kissing interaction is necessary for the secondary structure rearrangement of wild-type stem-loop I. Surprisingly, isolated stem-loop V in the absence of the rest of the ribozyme is sufficient to rearrange the secondary structure of isolated stem-loop I. In contrast to kissing interactions in other RNAs that are either confined to the loops or culminate in an extended intermolecular duplex, the VS kissing interaction causes changes in intramolecular base pairs within the target stem-loop.

A loop-loop "kissing" complex is the essential part of the dimer linkage of genomic HIV-1 RNA.

RNA-RNA interactions govern a number of biological processes. Several RNAs, including natural sense and antisense RNAs, interact by means of a two-step mechanism: recognition is mediated by a loop-loop complex, which is then stabilized by formation of an extended intermolecular duplex. It was proposed that the same mechanism holds for dimerization of the genomic RNA of human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1), an event thought to control crucial steps of HIV-1 replication. However, whereas interaction between the partially self-complementary loop of the dimerization initiation site (DIS) of each monomer is well established, formation of the extended duplex remained speculative. Here we first show that in vitro dimerization of HIV-1 RNA is a specific process, not resulting from simple annealing of denatured molecules. Next we used mutants of the DIS to test the formation of the extended duplex. Four pairs of transcomplementary mutants were designed in such a way that all pairs can form the loop-loop "kissing" complex, but only two of them can potentially form the extended duplex. All pairs of mutants form heterodimers whose thermal stability, dissociation constant, and dynamics were analyzed. Taken together, our results indicate that, in contrast with the interactions between natural sense and antisense RNAs, no extended duplex is formed during dimerization of HIV-1 RNA. We also showed that 55-mer sense RNAs containing the DIS are able to interfere with the preformed HIV-1 RNA dimer.

Dynamics of end-to-end loop formation: A flexible chain in the presence of hydrodynamic interaction

Based on the Wilemski-Fixman approach G. Wilemski, M. Fixman, J. Chem. Phys. 60 (1974) 866], we show that, for a flexible chain in theta solvent, hydrodynamic interaction treated with a pre-averaging approximation makes ring closing faster if the chain is not very short. We also show that the ring closing time for a long chain with hydrodynamic interaction in theta solvent scales with the chain length (N) as N-1.5, in agreement with the previous renormalization group calculation based prediction by Freidman and O'Shaughnessy B. Friedman, B. O'Shaughnessy, Phys. Rev. A 40 (1989) 5950]. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

VHDL-based system design of a cognitive sensorimotor loop (CSL) for haptic Human-Machine Interaction (HMI)

This document is a summary of the Bachelor thesis titled “VHDL-Based System Design of a Cognitive Sensorimotor Loop (CSL) for Haptic Human-Machine Interaction (HMI)” written by Pablo de Miguel Morales, Electronics Engineering student at the Universidad Politécnica de Madrid (UPM Madrid, Spain) during an Erasmus+ Exchange Program at the Beuth Hochschule für Technik (BHT Berlin, Germany). The tutor of this project is Dr. Prof. Hild. This project has been developed inside the Neurobotics Research Laboratory (NRL) in close collaboration with Benjamin Panreck, a member of the NRL, and another exchange student from the UPM Pablo Gabriel Lezcano. For a deeper comprehension of the content of the thesis, a deeper look in the document is needed as well as the viewing of the videos and the VHDL design. In the growing field of automation, a large amount of workforce is dedicated to improve, adapt and design motor controllers for a wide variety of applications. In the specific field of robotics or other machinery designed to interact with humans or their environment, new needs and technological solutions are often being discovered due to the existing, relatively unexplored new scenario it is. The project consisted of three main parts: Two VHDL-based systems and one short experiment on the haptic perception. Both VHDL systems are based on a Cognitive Sensorimotor Loop (CSL) which is a control loop designed by the NRL and mainly developed by Dr. Prof. Hild. The CSL is a control loop whose main characteristic is the fact that it does not use any external sensor to measure the speed or position of the motor but the motor itself. The motor always generates a voltage that is proportional to its angular speed so it does not need calibration. This method is energy efficient and simplifies control loops in complex systems. The first system, named CSL Stay In Touch (SIT), consists in a one DC motor system controller by a FPGA Board (Zynq ZYBO 7000) whose aim is to keep contact with any external object that touches its Sensing Platform in both directions. Apart from the main behavior, three features (Search Mode, Inertia Mode and Return Mode) have been designed to enhance the haptic interaction experience. Additionally, a VGA-Screen is also controlled by the FPGA Board for the monitoring of the whole system. This system has been completely developed, tested and improved; analyzing its timing and consumption properties. The second system, named CSL Fingerlike Mechanism (FM), consists in a fingerlike mechanical system controlled by two DC motors (Each controlling one part of the finger). The behavior is similar to the first system but in a more complex structure. This system was optional and not part of the original objectives of the thesis and it could not be properly finished and tested due to the lack of time. The haptic perception experiment was an experiment conducted to have an insight into the complexity of human haptic perception in order to implement this knowledge into technological applications. The experiment consisted in testing the capability of the subjects to recognize different objects and shapes while being blindfolded and with their ears covered. Two groups were done, one had full haptic perception while the other had to explore the environment with a plastic piece attached to their finger to create a haptic handicap. The conclusion of the thesis was that a haptic system based only on a CSL-based system is not enough to retrieve valuable information from the environment and that other sensors are needed (temperature, pressure, etc.) but that a CSL-based system is very useful to control the force applied by the system to interact with haptic sensible surfaces such as skin or tactile screens. RESUMEN. Este documento es un resumen del proyecto fin de grado titulado “VHDL-Based System Design of a Cognitive Sensorimotor Loop (CSL) for Haptic Human-Machine Interaction (HMI)” escrito por Pablo de Miguel, estudiante de Ingeniería Electrónica de Comunicaciones en la Universidad Politécnica de Madrid (UPM Madrid, España) durante un programa de intercambio Erasmus+ en la Beuth Hochschule für Technik (BHT Berlin, Alemania). El tutor de este proyecto ha sido Dr. Prof. Hild. Este proyecto se ha desarrollado dentro del Neurorobotics Research Laboratory (NRL) en estrecha colaboración con Benjamin Panreck (un miembro del NRL) y con Pablo Lezcano (Otro estudiante de intercambio de la UPM). Para una comprensión completa del trabajo es necesaria una lectura detenida de todo el documento y el visionado de los videos y análisis del diseño VHDL incluidos en el CD adjunto. En el creciente sector de la automatización, una gran cantidad de esfuerzo está dedicada a mejorar, adaptar y diseñar controladores de motor para un gran rango de aplicaciones. En el campo específico de la robótica u otra maquinaria diseñada para interactuar con los humanos o con su entorno, nuevas necesidades y soluciones tecnológicas se siguen desarrollado debido al relativamente inexplorado y nuevo escenario que supone. El proyecto consta de tres partes principales: Dos sistemas basados en VHDL y un pequeño experimento sobre la percepción háptica. Ambos sistemas VHDL están basados en el Cognitive Sesnorimotor Loop (CSL) que es un lazo de control creado por el NRL y cuyo desarrollador principal ha sido Dr. Prof. Hild. El CSL es un lazo de control cuya principal característica es la ausencia de sensores externos para medir la velocidad o la posición del motor, usando el propio motor como sensor. El motor siempre genera un voltaje proporcional a su velocidad angular de modo que no es necesaria calibración. Este método es eficiente en términos energéticos y simplifica los lazos de control en sistemas complejos. El primer sistema, llamado CSL Stay In Touch (SIT), consiste en un sistema formado por un motor DC controlado por una FPGA Board (Zynq ZYBO 7000) cuyo objetivo es mantener contacto con cualquier objeto externo que toque su plataforma sensible en ambas direcciones. Aparte del funcionamiento básico, tres modos (Search Mode, Inertia Mode y Return Mode) han sido diseñados para mejorar la interacción. Adicionalmente, se ha diseñado el control a través de la FPGA Board de una pantalla VGA para la monitorización de todo el sistema. El sistema ha sido totalmente desarrollado, testeado y mejorado; analizando su propiedades de timing y consumo energético. El segundo sistema, llamado CSL Fingerlike Mechanism (FM), consiste en un mecanismo similar a un dedo controlado por dos motores DC (Cada uno controlando una falange). Su comportamiento es similar al del primer sistema pero con una estructura más compleja. Este sistema no formaba parte de los objetivos iniciales del proyecto y por lo tanto era opcional. No pudo ser plenamente desarrollado debido a la falta de tiempo. El experimento de percepción háptica fue diseñado para profundizar en la percepción háptica humana con el objetivo de aplicar este conocimiento en aplicaciones tecnológicas. El experimento consistía en testear la capacidad de los sujetos para reconocer diferentes objetos, formas y texturas en condiciones de privación del sentido del oído y la vista. Se crearon dos grupos, en uno los sujetos tenían plena percepción háptica mientras que en el otro debían interactuar con los objetos a través de una pieza de plástico para generar un hándicap háptico. La conclusión del proyecto fue que un sistema háptico basado solo en sistemas CSL no es suficiente para recopilar información valiosa del entorno y que debe hacer uso de otros sensores (temperatura, presión, etc.). En cambio, un sistema basado en CSL es idóneo para el control de la fuerza aplicada por el sistema durante la interacción con superficies hápticas sensibles tales como la piel o pantallas táctiles.

Nuclear Import of Sterol Regulatory Element–binding Protein-2, a Basic Helix-Loop-Helix–Leucine Zipper (bHLH-Zip)–containing Transcription Factor, Occurs through the Direct Interaction of Importin β with HLH-Zip

The sterol regulatory element–binding protein-2 (SREBP-2) is produced as a large precursor molecule attached to the endoplasmic reticulum membrane. In response to the sterol depletion, the N-terminal segment of the precursor, which contains a basic helix-loop-helix–leucine zipper domain, is released by two sequential cleavages and is translocated to the nucleus, where it activates the transcription of target genes. The data herein show that released SREBP-2 uses a distinct nuclear transport pathway, which is mediated by importin β. The mature form of SREBP-2 is actively transported into the nucleus when injected into the cell cytoplasm. SREBP-2 binds directly to importin β in the absence of importin α. Ran-GTP but not Ran-GDP causes the dissociation of the SREBP-2–importin β complex. G19VRan-GTP inhibits the nuclear import of SREBP-2 in living cells. In the permeabilized cell in vitro transport system, nuclear import of SREBP-2 is reconstituted only by importin β in conjunction with Ran and its interacting protein p10/NTF2. We further demonstrate that the helix-loop-helix–leucine zipper motif of SREBP-2 contains a novel type of nuclear localization signal, which binds directly to importin β.

The crystal structure of an N-terminal two-domain fragment of vascular cell adhesion molecule 1 (VCAM-1): a cyclic peptide based on the domain 1 C-D loop can inhibit VCAM-1-alpha 4 integrin interaction.

Vascular cell adhesion molecule 1 (VCAM-1) represents a structurally and functionally distinct class of immunoglobulin superfamily molecules that bind leukocyte integrins and are involved in inflammatory and immune functions. X-ray crystallography defines the three-dimensional structure of the N-terminal two-domain fragment that participates in ligand binding. Residues in domain 1 important for ligand binding reside in the C-D loop, which projects markedly from one face of the molecule near the contact between domains 1 and 2. A cyclic peptide that mimics this loop inhibits binding of alpha 4 beta 1 integrin-bearing cells to VCAM-1. These data demonstrate how crystallographic structural information can be used to design a small molecule inhibitor of biological function.

The interaction between master production scheduling and detailed capacity requirements planning : closing the loop in manufacturing resource planning (MRPII) systems

The widespread implementation of Manufacturing Resource Planning (MRPII) systems in this country and abroad and the reported dissatisfaction with their use formed the initial basis of this piece of research which concentrates on the fundamental theory and design of the Closed Loop MRPII system itself. The dissertation concentrates on two key aspects namely; how Master Production Scheduling is carried out in differing business environments and how well the `closing of the loop' operates by checking the capcity requirements of the different levels of plans within an organisation. The main hypothesis which is tested is that in U.K. manufacturing industry, resource checks are either not being carried out satisfactorily or they are not being fed back to the appropriate plan in a timely fashion. The research methodology employed involved initial detailed investigations into Master Scheduling and capacity planning in eight diverse manufacturing companies. This was followed by a nationwide survey of users in 349 companies, a survey of all the major suppliers of Production Management software in the U.K. and an analysis of the facilities offered by current software packages. The main conclusion which is drawn is that the hypothesis is proved in the majority of companies in that only just over 50% of companies are attempting Resource and Capacity Planning and only 20% are successfully feeding back CRP information to `close the loop'. Various causative factors are put forward and remedies are suggested.

Power network in the loop : subsystem testing using a switching amplifier

“Hardware in the Loop” (HIL) testing is widely used in the automotive industry. The sophisticated electronic control units used for vehicle control are usually tested and evaluated using HIL-simulations. The HIL increases the degree of realistic testing of any system. Moreover, it helps in designing the structure and control of the system under test so that it works effectively in the situations that will be encountered in the system. Due to the size and the complexity of interaction within a power network, most research is based on pure simulation. To validate the performance of physical generator or protection system, most testing is constrained to very simple power network. This research, however, examines a method to test power system hardware within a complex virtual environment using the concept of the HIL. The HIL testing for electronic control units and power systems protection device can be easily performed at signal level. But performance of power systems equipments, such as distributed generation systems can not be evaluated at signal level using HIL testing. The HIL testing for power systems equipments is termed here as ‘Power Network in the Loop’ (PNIL). PNIL testing can only be performed at power level and requires a power amplifier that can amplify the simulation signal to the power level. A power network is divided in two parts. One part represents the Power Network Under Test (PNUT) and the other part represents the rest of the complex network. The complex network is simulated in real time simulator (RTS) while the PNUT is connected to the Voltage Source Converter (VSC) based power amplifier. Two way interaction between the simulator and amplifier is performed using analog to digital (A/D) and digital to analog (D/A) converters. The power amplifier amplifies the current or voltage signal of simulator to the power level and establishes the power level interaction between RTS and PNUT. In the first part of this thesis, design and control of a VSC based power amplifier that can amplify a broadband voltage signal is presented. A new Hybrid Discontinuous Control method is proposed for the amplifier. This amplifier can be used for several power systems applications. In the first part of the thesis, use of this amplifier in DSTATCOM and UPS applications are presented. In the later part of this thesis the solution of network in the loop testing with the help of this amplifier is reported. The experimental setup for PNIL testing is built in the laboratory of Queensland University of Technology and the feasibility of PNIL testing has been evaluated using the experimental studies. In the last section of this thesis a universal load with power regenerative capability is designed. This universal load is used to test the DG system using PNIL concepts. This thesis is composed of published/submitted papers that form the chapters in this dissertation. Each paper has been published or submitted during the period of candidature. Chapter 1 integrates all the papers to provide a coherent view of wide bandwidth switching amplifier and its used in different power systems applications specially for the solution of power systems testing using PNIL.