Une signature du polymorphisme structural d’acides ribonucléiques non-codants permettant de comparer leurs niveaux d’activités biochimiques

Des évidences expérimentales récentes indiquent que les ARN changent de structures au fil du temps, parfois très rapidement, et que ces changements sont nécessaires à leurs activités biochimiques. La structure de ces ARN est donc dynamique. Ces mêmes évidences notent également que les structures clés impliquées sont prédites par le logiciel de prédiction de structure secondaire MC-Fold. En comparant les prédictions de structures du logiciel MC-Fold, nous avons constaté un lien clair entre les structures presque optimales (en termes de stabilité prédites par ce logiciel) et les variations d’activités biochimiques conséquentes à des changements ponctuels dans la séquence. Nous avons comparé les séquences d’ARN du point de vue de leurs structures dynamiques afin d’investiguer la similarité de leurs fonctions biologiques. Ceci a nécessité une accélération notable du logiciel MC-Fold. L’approche algorithmique est décrite au chapitre 1. Au chapitre 2 nous classons les impacts de légères variations de séquences des microARN sur la fonction naturelle de ceux-ci. Au chapitre 3 nous identifions des fenêtres dans de longs ARN dont les structures dynamiques occupent possiblement des rôles dans les désordres du spectre autistique et dans la polarisation des œufs de certains batraciens (Xenopus spp.).

Quantification de la relation séquence-activité de l’ARN par prédiction de structure tridimensionnelle

Dans un premier temps, nous avons modélisé la structure d’une famille d’ARN avec une grammaire de graphes afin d’identifier les séquences qui en font partie. Plusieurs autres méthodes de modélisation ont été développées, telles que des grammaires stochastiques hors-contexte, des modèles de covariance, des profils de structures secondaires et des réseaux de contraintes. Ces méthodes de modélisation se basent sur la structure secondaire classique comparativement à nos grammaires de graphes qui se basent sur les motifs cycliques de nucléotides. Pour exemplifier notre modèle, nous avons utilisé la boucle E du ribosome qui contient le motif Sarcin-Ricin qui a été largement étudié depuis sa découverte par cristallographie aux rayons X au début des années 90. Nous avons construit une grammaire de graphes pour la structure du motif Sarcin-Ricin et avons dérivé toutes les séquences qui peuvent s’y replier. La pertinence biologique de ces séquences a été confirmée par une comparaison des séquences d’un alignement de plus de 800 séquences ribosomiques bactériennes. Cette comparaison a soulevée des alignements alternatifs pour quelques unes des séquences que nous avons supportés par des prédictions de structures secondaires et tertiaires. Les motifs cycliques de nucléotides ont été observés par les membres de notre laboratoire dans l'ARN dont la structure tertiaire a été résolue expérimentalement. Une étude des séquences et des structures tertiaires de chaque cycle composant la structure du Sarcin-Ricin a révélé que l'espace des séquences dépend grandement des interactions entre tous les nucléotides à proximité dans l’espace tridimensionnel, c’est-à-dire pas uniquement entre deux paires de bases adjacentes. Le nombre de séquences générées par la grammaire de graphes est plus petit que ceux des méthodes basées sur la structure secondaire classique. Cela suggère l’importance du contexte pour la relation entre la séquence et la structure, d’où l’utilisation d’une grammaire de graphes contextuelle plus expressive que les grammaires hors-contexte. Les grammaires de graphes que nous avons développées ne tiennent compte que de la structure tertiaire et négligent les interactions de groupes chimiques spécifiques avec des éléments extra-moléculaires, comme d’autres macromolécules ou ligands. Dans un deuxième temps et pour tenir compte de ces interactions, nous avons développé un modèle qui tient compte de la position des groupes chimiques à la surface des structures tertiaires. L’hypothèse étant que les groupes chimiques à des positions conservées dans des séquences prédéterminées actives, qui sont déplacés dans des séquences inactives pour une fonction précise, ont de plus grandes chances d’être impliqués dans des interactions avec des facteurs. En poursuivant avec l’exemple de la boucle E, nous avons cherché les groupes de cette boucle qui pourraient être impliqués dans des interactions avec des facteurs d'élongation. Une fois les groupes identifiés, on peut prédire par modélisation tridimensionnelle les séquences qui positionnent correctement ces groupes dans leurs structures tertiaires. Il existe quelques modèles pour adresser ce problème, telles que des descripteurs de molécules, des matrices d’adjacences de nucléotides et ceux basé sur la thermodynamique. Cependant, tous ces modèles utilisent une représentation trop simplifiée de la structure d’ARN, ce qui limite leur applicabilité. Nous avons appliqué notre modèle sur les structures tertiaires d’un ensemble de variants d’une séquence d’une instance du Sarcin-Ricin d’un ribosome bactérien. L’équipe de Wool à l’université de Chicago a déjà étudié cette instance expérimentalement en testant la viabilité de 12 variants. Ils ont déterminé 4 variants viables et 8 létaux. Nous avons utilisé cet ensemble de 12 séquences pour l’entraînement de notre modèle et nous avons déterminé un ensemble de propriétés essentielles à leur fonction biologique. Pour chaque variant de l’ensemble d’entraînement nous avons construit des modèles de structures tertiaires. Nous avons ensuite mesuré les charges partielles des atomes exposés sur la surface et encodé cette information dans des vecteurs. Nous avons utilisé l’analyse des composantes principales pour transformer les vecteurs en un ensemble de variables non corrélées, qu’on appelle les composantes principales. En utilisant la distance Euclidienne pondérée et l’algorithme du plus proche voisin, nous avons appliqué la technique du « Leave-One-Out Cross-Validation » pour choisir les meilleurs paramètres pour prédire l’activité d’une nouvelle séquence en la faisant correspondre à ces composantes principales. Finalement, nous avons confirmé le pouvoir prédictif du modèle à l’aide d’un nouvel ensemble de 8 variants dont la viabilité à été vérifiée expérimentalement dans notre laboratoire. En conclusion, les grammaires de graphes permettent de modéliser la relation entre la séquence et la structure d’un élément structural d’ARN, comme la boucle E contenant le motif Sarcin-Ricin du ribosome. Les applications vont de la correction à l’aide à l'alignement de séquences jusqu’au design de séquences ayant une structure prédéterminée. Nous avons également développé un modèle pour tenir compte des interactions spécifiques liées à une fonction biologique donnée, soit avec des facteurs environnants. Notre modèle est basé sur la conservation de l'exposition des groupes chimiques qui sont impliqués dans ces interactions. Ce modèle nous a permis de prédire l’activité biologique d’un ensemble de variants de la boucle E du ribosome qui se lie à des facteurs d'élongation.

Three-dimensional hydrogen-bonded structures in the guanidinium salts of the monocyclic dicarboxylic acids rac-trans-cyclohexane-1,2-dicarboxylic acid (2:1, anhydrous), isophthalic acid (1:1, monohydrate) and terephthalic acid (2:1, trihydrate).

The structures of bis(guanidinium)rac-trans-cyclohexane-1,2-dicarboxylate, 2(CH6N3+) C8H10O4- (I), guanidinium 3-carboxybenzoate monohydrate CH6N3+ C8H5O4- . H2O (II) and bis(guanidinium) benzene-1,4-dicarboxylate trihydrate, 2(CH6N3+) C8H4O4^2- . 3H2O (III) have been determined and the hydrogen bonding in each examined. All three compounds form three-dimensional hydrogen-bonded framework structures. In anhydrous (I), both guanidinium cations give classic cyclic R2/2(8) N--H...O,O'(carboxyl) and asymmetric cyclic R1/2(6) hydrogen-bonding interactions while one cation gives an unusual enlarged cyclic interaction with O acceptors of separate ortho-related carboxyl groups [graph set R2/2(11)]. Cations and anions also associate across inversion centres giving cyclic R2/4(8) motifs. In the 1:1 guanidinium salt (II), the cation gives two separate cyclic R1/2(6) interactions, one with a carboxyl O-acceptor, the other with the water molecule of solvation. The structure is unusual in that both carboxyl groups give short inter-anion O...H...O contacts, one across a crystallographic inversion centre [2.483(2)\%A], the other about a two-fold axis of rotation [2.462(2)\%A] with a half-occupancy hydrogen delocalized on the symmetry element in each. The water molecule links the cation--anion ribbon structures into a three-dimensional framework. In (III), the repeating molecular unit comprises a benzene-1,4-dicarboxylate dianion which lies across a crystallographic inversion centre, two guanidinium cations and two water molecules of solvation (each set related by two-fold rotational symmetry), and a single water molecule which lies on a two-fold axis. Each guanidinium cation gives three types of cyclic interactions with the dianions: one R^1^~2~(6), the others R2/3(8) and R3/3(10) (both of these involving the water molecules), giving a three-dimensional structure through bridges down the b cell direction. The water molecule at the general site also forms an unusual cyclic R2/2(4) homodimeric association across an inversion centre [O--H...O, 2.875(2)\%A]. The work described here provides further examples of the common cyclic guanidinium cation...carboxylate anion hydrogen-bonding associations as well as featuring other less common cyclic motifs.

4-Carbamoylpiperidinium phenylacetate hemihydrate

In the structure of the title compound, C6H13N2O+ C8H7O2- . 0.5H2O, the asymmetric unit comprises two isonipecotamide cations, two phenylacetate anions and a water molecule of solvation. The hydrogen-bonding environments for both sets of ion pairs are essentially identical with the piperidinium and amide 'ends' of each cation involved in lateral heteromolecular hydrogen-bonded cyclic N---H...O associations [graph set R2/2(11)] which incorporate a single carboxyl O-atom acceptor. These cyclic motifs enclose larger R5/5(21) cyclic systems forming sheet substructures which lie parallel to (101) and are linked across b by the single water molecule via water O---H...O(carboxyl) associations to give a two-dimensional duplex-sheet structure

Two-dimensional hydrogen-bonded polymers in the crystal structures of the ammonium salts of phenoxyacetic acid, (4-fluorophenoxy)acetic acid and (4-chloro-2-methylphenoxy)acetic acid

The structures of the ammonium salts of phenoxyacetic acid, NH4+ C8H6O3- (I), (4-fluorophenoxy)acetic acid NH4+ C8H5FO3- (II) and the herbicidally active (4-chloro-2-methylphenoxy)acetic acid (MCPA), NH4+ C9H8ClO3-. 0.5(H2O) (III) have been determined. All have two-dimensional layered structures based on inter-species ammonium N-H...O hydrogen-bonding associations which give core substructures consisting primarily of conjoined cyclic motifs. Crystals of (I) and (II) are isomorphous with the core comprising R2/1(5), R2/1(4) and centrosymmetric R2/4(8) ring motifs, giving two-dimensional layers lying parallel to (100). In (III), the water molecule of solvation lies on a crystallographic twofold rotation axis and bridges two carboxyl O-atoms in an R4/4(12) hydrogen-bonded motif, creating two R3/4(10) rings which together with a conjoined centrosymmetric R2/4(8) ring incorporating both ammonium cations, generate two-dimensional layers lying parallel to (100). No pi-pi ring associations are present in any of the structures.

A new paradigm for the folding of ribonucleic acids

De récentes découvertes montrent le rôle important que joue l’acide ribonucléique (ARN) au sein des cellules, que ce soit le contrôle de l’expression génétique, la régulation de plusieurs processus homéostasiques, en plus de la transcription et la traduction de l’acide désoxyribonucléique (ADN) en protéine. Si l’on veut comprendre comment la cellule fonctionne, nous devons d’abords comprendre ses composantes et comment ils interagissent, et en particulier chez l’ARN. La fonction d’une molécule est tributaire de sa structure tridimensionnelle (3D). Or, déterminer expérimentalement la structure 3D d’un ARN s’avère fort coûteux. Les méthodes courantes de prédiction par ordinateur de la structure d’un ARN ne tiennent compte que des appariements classiques ou canoniques, similaires à ceux de la fameuse structure en double-hélice de l’ADN. Ici, nous avons amélioré la prédiction de structures d’ARN en tenant compte de tous les types possibles d’appariements, dont ceux dits non-canoniques. Cela est rendu possible dans le contexte d’un nouveau paradigme pour le repliement des ARN, basé sur les motifs cycliques de nucléotides ; des blocs de bases pour la construction des ARN. De plus, nous avons dévelopées de nouvelles métriques pour quantifier la précision des méthodes de prédiction des structures 3D des ARN, vue l’introduction récente de plusieurs de ces méthodes. Enfin, nous avons évalué le pouvoir prédictif des nouvelles techniques de sondage de basse résolution des structures d’ARN.

Use of lanthanide metal complexes for the hydrolysis of 3 ',5 '- and 2 ',3 ' cyclic nucleotides

Lutetium(III) and lanthanum(III) complexes of 2-carboxyethylgermanium sesquioxide (Ge-132) can hydrolyze the phosphodiester linkage of 3',5'-cyclic adenosine monophosphate (cAMP), 3',5'-cyclic deoxyadenosine monophosphate (dcAMP) and 2',3'-cyclic adenosine monophosphate (2',3'-cAMP). Both cAMP and dcAMP are hydrolyzed with high selectivity, yielding predominantly 3'-monophosphates. 2',3'-cAMP is converted to 3'-AMP and 2'-AMP, the ratio of 3'-AMP to 2'-AMP produced being 1.4.

The role of cyclic nucleotides in modulation of crayfish neuromuscular junctions by a neuropeptide /

DF2, a heptapeptide, is a member of the family of FMRFamide-like peptides and has been shown to increase the amount of transmitter released at neuromuscular junctions of the crayfish, Procambarus clarkit Recent evidence has shown that protein kinase C (PKC), calcium/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII) and the cAMPdependent protein kinase (PKA) play a role in the neuromodulatory pathway of DF2. The involvement of these kinases led to the prediction that a G-protein-coupled receptor (GPCR) is activated by DF2 due to the role that each kinase plays in traditional GPCR pathways seen in other organisms and in other cells. G-proteins can also act on an enzyme that generates cyclic guanosine monophosphate (cGMP) which mediates its effects through a cGMP-dependent protein kinase (PKG). This thesis addresses the question of whether or not DF2's effects on synaptic transmission in crayfish are mediated by the cyclic nucleotides cAMP and cGMP. The effects of DF2 on synaptic transmission were examined using deep abdominal extensor muscles of the crayfish Procambarus clarkii. An identified motor neuron was stimulated, and excitatory post-synaptic potentials (EPSPs) were recorded in abdominal extensor muscle LI . A number of activators and inhibitors were used to determine whether or not cAMP, PKA, cGMP and PKG mediate the effect of this peptide. Chemicals that are known to activate PKA (Sp-cAMPS) and/or PKG (8-pCPTcGMP) mimic and potentiate DF2's effect by increasing EPSP amplitude. Inhibitors of either PKA (Rp-cAMPS) or PKG (Rp-8-pCPT-cGMPS) block a portion of the increase in EPSP amplitude induced by the peptide. When both kinase inhibitors are applied simultaneously, the entire effect of DF2 on EPSPs is blocked. The PKG inhibitor blocks the effects of a PKG activator but does not alter the effect of a PKA activator on EPSP amplitude. Thus, the PKG inhibitor appears to be relatively specific for PKG. A trend in the data suggests that the PKA inhibitor blocks a portion of the response elicited by the PKG activator. Thus, the PKA inhibitor may be less specific for PKA. Phosphodiesterase inhibitors, which are known to inhibit the breakdown of cAMP (IBMX) and/or cGMP (mdBAMQ), potentiate the effect of the peptide. These results support the hypothesis that cAMP and cGMP, acting through their respective protein kinase enzymes, mediate the ability of DFi to increase transmitter output.

SSMBS: a web server to locate sequentially separated motifs in biological sequences

The identification of sequence (amino acids or nucleotides) motifs in a particular order in biological sequences has proved to be of interest. This paper describes a computing server, SSMBS, which can locate anddisplay the occurrences of user-defined biologically important sequence motifs (a maximum of five) present in a specific order in protein and nucleotide sequences. While the server can efficiently locate motifs specified using regular expressions, it can also find occurrences of long and complex motifs. The computation is carried out by an algorithm developed using the concepts of quantifiers in regular expressions. The web server is available to users around the clock at http://dicsoft1.physics.iisc.ernet.in/ssmbs/.

Molecular dynamics studies on nucleoside 2',3'-cyclic phosphates

2',3'-cyclic nucleotides are intermediates and substrates of Ribonuclease (RNase)-catalysed reactions. The characterization of the equilibrium conformation as well as the flexibility inherent in these molecules helps in understanding the enzymatic action of RNases. The present study explores parameters like phase angle, glycosydic torsion angle and hydrogen bond to find possible interrelationship between them through Molecular Dynamics (MD) simulations on 3'-GMP, 3'-UMP, A>p, G>p, U>p, C>p, GpA>p and UpA>p. Interesting results of the effect of cyclisation and other constraints such as hydrogen bond between certain groups on the equilibrium ribose conformation have emerged from this study.

Cyclic nucleotide signaling in intestinal epithelia: getting to the gut of the matter

The intestine is the primary site of nutrient absorption, fluid-ion secretion, and home to trillions of symbiotic microbiota. The high turnover of the intestinal epithelia also renders it susceptible to neoplastic growth. These diverse processes are carefully regulated by an intricate signaling network. Among the myriad molecules involved in intestinal epithelial cell homeostasis are the second messengers, cyclic AMP (cAMP) and cyclic GMP (cGMP). These cyclic nucleotides are synthesized by nucleotidyl cyclases whose activities are regulated by extrinsic and intrinsic cues. Downstream effectors of cAMP and cGMP include protein kinases, cyclic nucleotide gated ion channels, and transcription factors, which modulate key processes such as ion-balance, immune response, and cell proliferation. The web of interaction involving the major signaling pathways of cAMP and cGMP in the intestinal epithelial cell, and possible cross-talk among the pathways, are highlighted in this review. Deregulation of these pathways occurs during infection by pathogens, intestinal inflammation, and cancer. Thus, an appreciation of the importance of cyclic nucleotide signaling in the intestine furthers our understanding of bowel disease, thereby aiding in the development of therapeutic approaches.

A combined statistical model for multiple motifs search

Transcription factor binding sites (TFBS) play key roles in genebior 6.8 wavelet expression and regulation. They are short sequence segments with de¯nite structure and can be recognized by the corresponding transcription factors correctly. From the viewpoint of statistics, the candidates of TFBS should be quite di®erent from the segments that are randomly combined together by nucleotide. This paper proposes a combined statistical model for ¯nding over- represented short sequence segments in di®erent kinds of data set. While the over-represented short sequence segment is described by position weight matrix, the nucleotide distribution at most sites of the segment should be far from the background nucleotide distribution. The central idea of this approach is to search for such kind of signals. This algorithm is tested on 3 data sets, including binding sites data set of cyclic AMP receptor protein in E.coli, PlantProm DB which is a non-redundant collection of proximal promoter sequences from di®erent species, collection of the intergenic sequences of the whole genome of E.Coli. Even though the complexity of these three data sets is quite di®erent, the results show that this model is rather general and sensible.

Cleavage of nucleotides by lanthanide metal complexes

The present work revealed that the praseodymium( II ) complex of 2-carboxyethylgermanium sesquioxide (Ge-132) promotes the hydrolysis of the phosphodiester linkages of 3',5'-cyclic adenosine monophosphate (cAMP), 3' , 5'-cyclic deoxyadenosine monophosphate (dcAMP), 5'-adenosine monophosphate(5'-AMP) and 5'-deoxyadenosine monophosphate (5'-dAMP) under mild conditions. Both cAMP and dcAMP were hydrolyzed site-specifically, yielding predominantly 3'-monophosphates, the main products of the cleavage of 5'-AMP and 5'-dAMP included adenosine (Ado). deoxyadenosine (dAdo) and free phosphates respectively. A hydrolytic mechanism was proposed for cAMP, dcAMP, 5'-AMP and 5'-dAMP.

Preparation of Potential Cell-Permeant Nucleoside-2',3'-Cyclic Phosphate Precursors

Uridine-3'-phosphorothiolate triesters bearing lipophilic moieties were prepared via Michaelis-Arbuzov chemistry. Subsequent deprotection of the S-cholesteryl phosphorothiolate triester afforded the corresponding diester which underwent spontaneous Cyclization to cleanly afford uridine 2',3'-cyclic phosphate. This transesterification reaction could be expedited by treatment with iodine under mild, neutral conditions.