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.

Sequence similarity analysis of Escherichia coli proteins: functional and evolutionary implications.

A computer analysis of 2328 protein sequences comprising about 60% of the Escherichia coli gene products was performed using methods for database screening with individual sequences and alignment blocks. A high fraction of E. coli proteins--86%--shows significant sequence similarity to other proteins in current databases; about 70% show conservation at least at the level of distantly related bacteria, and about 40% contain ancient conserved regions (ACRs) shared with eukaryotic or Archaeal proteins. For > 90% of the E. coli proteins, either functional information or sequence similarity, or both, are available. Forty-six percent of the E. coli proteins belong to 299 clusters of paralogs (intraspecies homologs) defined on the basis of pairwise similarity. Another 10% could be included in 70 superclusters using motif detection methods. The majority of the clusters contain only two to four members. In contrast, nearly 25% of all E. coli proteins belong to the four largest superclusters--namely, permeases, ATPases and GTPases with the conserved "Walker-type" motif, helix-turn-helix regulatory proteins, and NAD(FAD)-binding proteins. We conclude that bacterial protein sequences generally are highly conserved in evolution, with about 50% of all ACR-containing protein families represented among the E. coli gene products. With the current sequence databases and methods of their screening, computer analysis yields useful information on the functions and evolutionary relationships of the vast majority of genes in a bacterial genome. Sequence similarity with E. coli proteins allows the prediction of functions for a number of important eukaryotic genes, including several whose products are implicated in human diseases.

Stereochemical Analysis of Higher α,α-Dialkylglycine Containing Peptides. Characterization of Local Helical Conformations at Dipropylglycine Residues and Observation of a Novel Hydrated Multiple β-Turn Structure in Crystals of a Glycine Rich Peptide

The peptide Boc-Gly-Dpg-Gly-Gly-Dpg-Gly-NHMe (1) has been synthesized to examine the conformational preferences of Dpg residues in the context of a poor helix promoting sequence. Single crystals of 1 were obtained in the space group P21/c with a = 13.716(2) Å, b = 12.960(2) Å, c = 22.266(4) Å, and β = 98.05(1)°; R = 6.3% for 3660 data with |Fo| > 4σ. The molecular conformation in crystals revealed that the Gly(1)-Dpg(2) segment adopts φ, ψ values distorted from those expected for an ideal type II‘ β-turn (φGly(1) = +72.0°, ψGly(1) = −166.0°; φDpg(2) = −54.0°, ψDpg(2) = −46.0°) with an inserted water molecule between Boc-CO and Gly(3)NH. The Gly(3)-Gly(4) segment adopts φ, ψ values which lie broadly in the right handed helical region (φGly(3) = −78.0°, ψGly(3) = −9.0°; φGly(4) = −80.0°, ψGly(4) = −18.0°). There is a chiral reversal at Dpg(5) which takes up φ, ψ values in the left handed helical region. The Dpg(5)-Gly(6) segment closely resembles an ideal type I‘ β-turn (φDpg(5) = +56.0°, ψDpg(5) = +32.0°; φGly(6) = +85.0°, ψGly(6) = −3.0°). Molecules of both chiral senses are found in the centrosymmetric crystal. The C-terminus forms a hydrated Schellman motif, with water insertion into the potential 6 → 1 hydrogen bond between Gly(1)CO and Gly(6)NH. NMR studies in CDCl3 suggest substantial retention of the multiple turn conformation observed in crystals. In solution the observed NOEs support local helical conformation at the two Dpg residues.

A cyclic peptide mimic of an RNA recognition motif of human La protein is a potent inhibitor of hepatitis C virus

Due to limited available therapeutic options, developing new lead compounds against hepatitis C virus is an urgent need. Human La protein stimulates hepatitis C virus translation through interaction with the hepatitis C viral RNA. A cyclic peptide mimicking the beta-turn of the human La protein that interacts with the viral RNA was synthesized. It inhibits hepatitis C viral RNA translation significantly better than the corresponding linear peptide at longer post-treatment times. The cyclic peptide also inhibited replication as measured by replicon RNA levels using real time RT-PCR. The cyclic peptide emerges as a promising lead compound against hepatitis C.

Specific Sequence of a Beta Turn in Human La Protein May Contribute to Species Specificity of Hepatitis C Virus

Human La protein is known to be an essential host factor for translation and replication of hepatitis C virus (HCV) RNA. Previously, we have demonstrated that residues responsible for interaction of human La protein with the HCV internal ribosomal entry site (IRES) around the initiator AUG within stem-loop IV form a beta-turn in the RNA recognition motif (RRM) structure. In this study, sequence alignment and mutagenesis suggest that the HCV RNA-interacting beta-turn is conserved only in humans and chimpanzees, the species primarily known to be infected by HCV. A 7-mer peptide corresponding to the HCV RNA-interacting region of human La inhibits HCV translation, whereas another peptide corresponding to the mouse La sequence was unable to do so. Furthermore, IRES-mediated translation was found to be significantly high in the presence of recombinant human La protein in vitro in rabbit reticulocyte lysate. We observed enhanced replication with HCV subgenomic and full-length replicons upon overexpression of either human La protein or a chimeric mouse La protein harboring a human La beta-turn sequence in mouse cells. Taken together, our results raise the possibility of creating an immunocompetent HCV mouse model using human-specific cell entry factors and a humanized form of La protein.

Regulation of Nedd4-2 self-ubiquitination and stability by a PY motif located within its HECT-domain.

Ubiquitin ligases play a pivotal role in substrate recognition and ubiquitin transfer, yet little is known about the regulation of their catalytic activity. Nedd4 (neural-precursor-cell-expressed, developmentally down-regulated 4)-2 is an E3 ubiquitin ligase composed of a C2 domain, four WW domains (protein-protein interaction domains containing two conserved tryptophan residues) that bind PY motifs (L/PPXY) and a ubiquitin ligase HECT (homologous with E6-associated protein C-terminus) domain. In the present paper we show that the WW domains of Nedd4-2 bind (weakly) to a PY motif (LPXY) located within its own HECT domain and inhibit auto-ubiquitination. Pulse-chase experiments demonstrated that mutation of the HECT PY-motif decreases the stability of Nedd4-2, suggesting that it is involved in stabilization of this E3 ligase. Interestingly, the HECT PY-motif mutation does not affect ubiquitination or down-regulation of a known Nedd4-2 substrate, ENaC (epithelial sodium channel). ENaC ubiquitination, in turn, appears to promote Nedd4-2 self-ubiquitination. These results support a model in which the inter- or intra-molecular WW-domain-HECT PY-motif interaction stabilizes Nedd4-2 by preventing self-ubiquitination. Substrate binding disrupts this interaction, allowing self-ubiquitination of Nedd4-2 and subsequent degradation, resulting in down-regulation of Nedd4-2 once it has ubiquitinated its target. These findings also point to a novel mechanism employed by a ubiquitin ligase to regulate itself differentially compared with substrate ubiquitination and stability.

Le motif d’empaquetage le long du sillon: une nouvelle entité structurale récurrente dans les ARN ribosomiques

La plupart des molécules d’ARN doivent se replier en structure tertiaire complexe afin d’accomplir leurs fonctions biologiques. Cependant, les déterminants d’une chaîne de polynucléotides qui sont nécessaires à son repliement et à ses interactions avec d’autres éléments sont essentiellement inconnus. L’établissement des relations structure-fonction dans les grandes molécules d’ARN passe inévitablement par l’analyse de chaque élément de leur structure de façon individuelle et en contexte avec d’autres éléments. À l’image d’une construction d’immeuble, une structure d’ARN est composée d’unités répétitives assemblées de façon spécifique. Les motifs récurrents d’ARN sont des arrangements de nucléotides retrouvés à différents endroits d’une structure tertiaire et possèdent des conformations identiques ou très similaires. Ainsi, une des étapes nécessaires à la compréhension de la structure et de la fonction des molécules d’ARN consiste à identifier de façon systématique les motifs récurrents et d’en effectuer une analyse comparative afin d’établir la séquence consensus. L’analyse de tous les cas d’empaquetage de doubles hélices dans la structure du ribosome a permis l’identification d’un nouvel arrangement nommé motif d’empaquetage le long du sillon (AGPM) (along-groove packing motif). Ce motif est retrouvé à 14 endroits dans la structure du ribosome de même qu’entre l’ARN ribosomique 23S et les molécules d’ARN de transfert liées aux sites ribosomaux P et E. Le motif se forme par l’empaquetage de deux doubles hélices via leur sillon mineur. Le squelette sucre-phosphate d’une hélice voyage le long du sillon mineur de l’autre hélice et vice versa. Dans chacune des hélices, la région de contact comprend quatre paires de bases. L’empaquetage le plus serré est retrouvé au centre de l’arrangement où l’on retrouve souvent une paire de bases GU dans une hélice interagissant avec une paire de bases Watson-Crick (WC) dans l’autre hélice. Même si la présence des paires de bases centrales GU versus WC au centre du motif augmente sa stabilité, d’autres alternatives existent pour différents représentants du motif. L’analyse comparative de trois librairies combinatoires de gènes d’AGPM, où les paires de bases centrales ont été variées de manière complètement aléatoire, a montré que le contexte structural influence l’étendue de la variabilité des séquences de nucléotides formant les paires de bases centrales. Le fait que l’identité des paires de bases centrales puisse varier suggérait la présence d’autres déterminants responsables au maintien de l’intégrité du motif. L’analyse de tous les contacts entre les hélices a révélé qu’en dehors du centre du motif, les interactions entre les squelettes sucre-phosphate s’effectuent via trois contacts ribose-ribose. Pour chacun de ces contacts, les riboses des nucléotides qui interagissent ensemble doivent adopter des positions particulières afin d’éviter qu’ils entrent en collision. Nous montrons que la position de ces riboses est modulée par des conformations spécifiques des paires de bases auxquelles ils appartiennent. Finalement, un autre motif récurrent identifié à l’intérieur même de la structure de trois cas d’AGPM a été nommé « adenosine-wedge ». Son analyse a révélé que ce dernier est lui-même composé d’un autre arrangement, nommé motif triangle-NAG (NAG-triangle). Nous montrons que le motif « adenosine-wedge » représente un arrangement complexe d’ARN composé de quatre éléments répétitifs, c’est-à-dire des motifs AGPM, « hook-turn », « A-minor » et triangle-NAG. Ceci illustre clairement l’arrangement hiérarchique des structures d’ARN qui peut aussi être observé pour d’autres motifs d’ARN. D’un point de vue plus global, mes résultats enrichissent notre compréhension générale du rôle des différents types d’interactions tertiaires dans la formation des molécules d’ARN complexes.

The very C-terminus of protein kinase CĹ is critical for the full catalytic competence but its hydrophobic motif is dispensable for the interaction with 3-phosphoinositide-dependent kinase-1

In this article, we explore the role of the C-terminus (V5 domain) of PKCvar epsilon plays in the catalytic competence of the kinase using serial truncations followed by immune-complex kinase assays. Surprisingly, removal of the last seven amino acid residues at the C-terminus of PKCvar epsilon resulted in a PKCvar epsilon-Δ731 mutant with greatly reduced intrinsic catalytic activity while truncation of eight amino acid residues at the C-terminus resulted in a catalytically inactive PKCvar epsilon mutant. Computer modeling and molecular dynamics simulations showed that the last seven and/or eight amino acid residues of PKCvar epsilon were involved in interactions with residues in the catalytic core. Further truncation analyses revealed that the hydrophobic phosphorylation motif was dispensable for the physical interaction between PKCvar epsilon and 3-phosphoinositide-dependent kinase-1 (PDK-1) as the PKCvar epsilon mutant lacking both the turn and the hydrophobic motifs could still be co-immunoprecipitated with PDK-1. These results provide fresh insights into the biochemical and structural basis underlying the isozyme-specific regulation of PKC and suggest that the very C-termini of PKCs constitute a promising new target for the development of novel isozyme-specific inhibitors of PKC.

Light-activated rhodopsin induces structural binding motif in G protein α subunit

A large superfamily of transmembrane receptors control cellular responses to diverse extracellular signals by catalyzing activation of specific types of heterotrimeric GTP-binding proteins. How these receptors recognize and promote nucleotide exchange on G protein α subunits to initiate signal amplification is unknown. The three-dimensional structure of the transducin (Gt) α subunit C-terminal undecapeptide Gtα(340–350) IKENLKDCGLF was determined by transferred nuclear Overhauser effect spectroscopy while it was bound to photoexcited rhodopsin. Light activation of rhodopsin causes a dramatic shift from a disordered conformation of Gtα(340–350) to a binding motif with a helical turn followed by an open reverse turn centered at Gly-348, a helix-terminating C capping motif of an αL type. Docking of the NMR structure to the GDP-bound x-ray structure of Gt reveals that photoexcited rhodopsin promotes the formation of a continuous helix over residues 325–346 terminated by the C-terminal helical cap with a unique cluster of crucial hydrophobic side chains. A molecular mechanism by which activated receptors can control G proteins through reversible conformational changes at the receptor–G protein interface is demonstrated.

The conserved SOCS box motif in suppressors of cytokine signaling binds to elongins B and C and may couple bound proteins to proteasomal degradation

The suppressors of cytokine signaling (SOCS) family of proteins act as intracellular inhibitors of several cytokine signal transduction pathways. Their expression is induced by cytokine activation of the Janus kinase/signal transducer and activator of transcription (JAK/STAT) pathway and they act as a negative feedback loop by subsequently inhibiting the JAK/STAT pathway either by direct interaction with activated JAKs or with the receptors. These interactions are mediated at least in part by the SH2 domain of SOCS proteins but these proteins also contain a highly conserved C-terminal homology domain termed the SOCS box. Here we show that the SOCS box mediates interactions with elongins B and C, which in turn may couple SOCS proteins and their substrates to the proteasomal protein degradation pathway. Analogous to the family of F-box-containing proteins, it appears that the SOCS proteins may act as adaptor molecules that target activated cell signaling proteins to the protein degradation pathway.

Treble clef finger—a functionally diverse zinc-binding structural motif

Detection of similarity is particularly difficult for small proteins and thus connections between many of them remain unnoticed. Structure and sequence analysis of several metal-binding proteins reveals unexpected similarities in structural domains classified as different protein folds in SCOP and suggests unification of seven folds that belong to two protein classes. The common motif, termed treble clef finger in this study, forms the protein structural core and is 25–45 residues long. The treble clef motif is assembled around the central zinc ion and consists of a zinc knuckle, loop, β-hairpin and an α-helix. The knuckle and the first turn of the helix each incorporate two zinc ligands. Treble clef domains constitute the core of many structures such as ribosomal proteins L24E and S14, RING fingers, protein kinase cysteine-rich domains, nuclear receptor-like fingers, LIM domains, phosphatidylinositol-3-phosphate-binding domains and His-Me finger endonucleases. The treble clef finger is a uniquely versatile motif adaptable for various functions. This small domain with a 25 residue structural core can accommodate eight different metal-binding sites and can have many types of functions from binding of nucleic acids, proteins and small molecules, to catalysis of phosphodiester bond hydrolysis. Treble clef motifs are frequently incorporated in larger structures or occur in doublets. Present analysis suggests that the treble clef motif defines a distinct structural fold found in proteins with diverse functional properties and forms one of the major zinc finger groups.

Woodturning for older learners : a real 'turn on'

The research reported in this study concerns older adults from Australia who voluntarily chose to learn the craft of woodturning. Semi-structured interviews and a survey questionnaire were distributed to members of a woodturning club to explore their motivations and the processes by which they learned how to woodturn. The findings indicated that participants’ motivation could be construed as both intrinsic and extrinsic. They used seven approaches to learning – structured courses, instruction from convenors, modelling/watching/demonstrations, guided practice and monitoring by convenors, trial and error with practice, advice and help from peers and reading. Finally, the positive climate of the organisation was found to be particularly important to the older learners.