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.

La RNase P mitochondriale chez Neurospora crassa

Résumé La Ribonucléase P (RNase P) est une enzyme principalement reconnue pour sa participation à la maturation en 5’des ARN de transfert (ARNt). Cependant, d’autres substrats sont reconnus par l’enzyme. En général, la RNase P est composée d’une sous-unité ARN (le P-ARN, codé par le gène rnpB) qui porte le centre actif de l’enzyme et d’une ou de plusieurs sous-unités protéiques (la P-protéine). Les P-ARN chez toutes les bactéries, la majorité des archéobactéries et dans le génome nucléaire de la plupart des eucaryotes, possèdent généralement une structure secondaire très conservée qui inclut le noyau (P1-P4); l’hélice P4 constitue le site catalytique de l’enzyme et l’hélice P1 apparie les extrémités du P-ARN en stabilisant sa structure globale. Les P-ARN mitochondriaux sont souvent moins conservés et difficiles à découvrir. Dans certains cas, les seules régions de structure primaire qui restent conservées sont celles qui définissent le P4 et le P1. Pour la détection des gènes rnpB, un outil de recherche bioinformatique, basé sur la séquence et le profil de structure secondaire, a été développé dans le laboratoire. Cet outil permet le dépistage de toutes les séquences eucaryotes (nucléaires et mitochondriales) du gène avec une très grande confiance (basée sur une valeur statistique, E-value). Chez les champignons, plusieurs ascomycètes encodent un gène rnpB dans leur génome mitochondrial y compris tous les membres du genre d’Aspergillus. Cependant, chez les espèces voisines, Neurospora crassa, Podospora anserina et Sordaria macrospora, une version mitochondriale de ce gène n’existe pas. Au lieu de cela, elles contiennent deux copies nucléaires du gène, légèrement différentes en taille et en contenu nucléotidique. Mon projet a été établi dans le but d’éclaircir l’évolution de la RNase P mitochondriale (mtRNase P) chez ces trois espèces voisines d’Aspergillus. En ce qui concerne les résultats, des modèles de structures secondaires pour les transcrits de ces gènes ont été construits en se basant sur la structure consensus universelle de la sous-unité ARN de la RNase P. Pour les trois espèces, par la comparaison de ces modèles, nous avons établi que les deux copies nucléaires du gène rnpB sont assez distinctes en séquence et en structure pour pouvoir y penser à une spécialisation de fonction de la RNase P. Chez N. crassa, les deux P-ARN sont modifiés probablement par une coiffe et les extrémités 5’, 3’ sont conformes à nos modèles, ayant un P1 allongé. Encore chez N. crassa, nous avons constaté que les deux copies sont transcrites au même niveau dans le cytoplasme et que la plus petite et la plus stable d’entre elles (Nc1) se retrouve dans l’extrait matriciel mitochondrial. Lors du suivi du P-ARN dans diverses sous-fractions provenant de la matrice mitochondriale soluble, Nc1 est associée avec l’activité de la RNase P. La caractérisation du complexe protéique, isolé à partir de la fraction active sur un gel non dénaturant, révèle qu’il contient au moins 87 protéines, 73 d’entre elles ayant déjà une localisation mitochondriale connue. Comme chez la levure, les protéines de ce complexe sont impliquées dans plusieurs fonctions cellulaires comme le processing de l’ADN/ARN, le métabolisme, dans la traduction et d’autres (par exemple : la protéolyse et le repliement des protéines, ainsi que la maintenance du génome mitochondrial). Pour trois protéines, leur fonction est non déterminée.

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.

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.).

Identification de caractéristiques communes et rares dans les ARN structurés dans la base de données Rfam

Les ARN non codants (ARNnc) sont des transcrits d'ARN qui ne sont pas traduits en protéines et qui pourtant ont des fonctions clés et variées dans la cellule telles que la régulation des gènes, la transcription et la traduction. Parmi les nombreuses catégories d'ARNnc qui ont été découvertes, on trouve des ARN bien connus tels que les ARN ribosomiques (ARNr), les ARN de transfert (ARNt), les snoARN et les microARN (miARN). Les fonctions des ARNnc sont étroitement liées à leurs structures d’où l’importance de développer des outils de prédiction de structure et des méthodes de recherche de nouveaux ARNnc. Les progrès technologiques ont mis à la disposition des chercheurs des informations abondantes sur les séquences d'ARN. Ces informations sont accessibles dans des bases de données telles que Rfam, qui fournit des alignements et des informations structurelles sur de nombreuses familles d'ARNnc. Dans ce travail, nous avons récupéré toutes les séquences des structures secondaires annotées dans Rfam, telles que les boucles en épingle à cheveux, les boucles internes, les renflements « bulge », etc. dans toutes les familles d'ARNnc. Une base de données locale, RNAstem, a été créée pour faciliter la manipulation et la compilation des données sur les motifs de structure secondaire. Nous avons analysé toutes les boucles terminales et internes ainsi que les « bulges » et nous avons calculé un score d’abondance qui nous a permis d’étudier la fréquence de ces motifs. Tout en minimisant le biais de la surreprésentation de certaines classes d’ARN telles que l’ARN ribosomal, l’analyse des scores a permis de caractériser les motifs rares pour chacune des catégories d’ARN en plus de confirmer des motifs communs comme les boucles de type GNRA ou UNCG. Nous avons identifié des motifs abondants qui n’ont pas été étudiés auparavant tels que la « tetraloop » UUUU. En analysant le contenu de ces motifs en nucléotides, nous avons remarqué que ces régions simples brins contiennent beaucoup plus de nucléotides A et U. Enfin, nous avons exploré la possibilité d’utiliser ces scores pour la conception d’un filtre qui permettrait d’accélérer la recherche de nouveaux ARN non-codants. Nous avons développé un système de scores, RNAscore, qui permet d’évaluer un ARN en se basant sur son contenu en motifs et nous avons testé son applicabilité avec différents types de contrôles.

El virus de l'hepatitis C i la ribonucleasa Phumana: aspectes biològics i terapèutics

El virus de l'hepatitis C (VHC) provoca una hepatitis crònica que afecta a més de 170 milions de persones d'arreu del món. És un virus petit que es classifica dins de la família Flaviviridae i és un virus d'RNA de cadena positiva amb un genoma d'aproximadament 9.600 nucleòtids. A l'extrem 5' del genoma viral s'hi troba una regió no codificant (5'NCR) que comprèn els primers 341 nucleòtids i la seva funció està relaciona amb la traducció. Immediatament després hi ha una pauta de lectura oberta ORF que acaba en un únic codó d'aturada i codifica una poliproteïna de 3.010 aminoàcids. A continuació l'extrem 3' no codificant (3'NCR), que malgrat es desconeixen les seves funcions exactes, s'ha demostrat que és essencial per a la replicació vírica. La única poliproteïna generada és processada co- i postraduccionalment mitjançant proteases de l'hoste i víriques, donant lloc a les proteïnes estructurals (Core, E1 i E2-p7) i no estructurals (NS2-NS5B). Igual que la majoria de virus RNA, el VHC es caracteritza per tenir una taxa de mutació elevada. De fet, el genoma del virus no es pot definir com una única seqüència sinó per una població de variants molt relacionades entre sí. A aquesta manera d'organitzar la informació genètica se l'anomena quasiespècie viral i una de les seves implicacions principals és la facilitat amb què sorgeixen resistents al tractament. Els tractaments disponibles són llargs, cars, provoquen efectes secundaris considerables i només es resolen completament el 40% dels casos. Per aquesta raó es busquen altres solucions terapèutiques per combatre el virus entre les quals s'hi inclouen diferents estratègies. Una de les més innovadores i prometedores és la utilització de ribozims dirigits directament contra el genoma del virus. Aquest treball es centra en l'estudi de les noves estratègies terapèutiques basades en ribozims, concretament la ribonucleasa P. La ribonucleasa P és un ribozim que està present en tots els organismes ja que és l'enzim responsable de la maduració dels precursors d'RNA de transferència. El més interessant a nivell terapèutic és que s'ha demostrat que es pot dirigir la seva activitat cap a qualsevol RNA utilitzant una seqüència guia d'RNA que quan hibrida amb l'RNA diana, l'híbrid imita l'estructura secundària del substrat natural. En el cas del VHC, s'han estudiat ribozims dependents de seqüència (ribozims derivats d'RNAs satèl·lits i de viroides de plantes), sempre dirigits contra la regió més conservada del virus per evitar una disminució de l'eficiència del ribozim deguda a la variació de la diana. La ribonucleasa P és una endonucleasa d'activitat molt específica i es diferencia dels altres ribozims naturals en el sistema de reconeixement del substrat, reconeix elements estructurals i no de seqüència. L'objectiu final del treball és tallar in vitro l'RNA del VHC aprofitant la propietat que presenta aquest ribozim de reconèixer elements estructurals i no de seqüència ja que per a un mateix nombre de seqüències, el nombre d'estructures viables que pot adoptar l'RNA genòmic és molt més petit i per tant la variabilitat de la diana disminueix. S'han estudiat dos models d'RNasa P, la RNasa P humana guiada per seqüència guia externa (EGS) i l'RNA M1 de l'RNasa P d'E.coli unit a la seqüència guia per l'extrem 3' (ribozim M1GS). Abans però de dirigir el ribozim, s'han estudiat l'estructura i la variabilitat d'una regió del genoma del virus ja que s'ha descrit que són factors que poden limitar l'eficiència de qualsevol ribozim. Derivat d'aquests estudis s'aporten dades sobre accessibilitat i variabilitat d'una regió interna del genoma del virus de l'hepatitis C, la zona d'unió de la regió E2/NS2 (regió 2658-2869). L'estudi d'accessibilitat revela que la regió 2658-2869 del genoma del virus conté dominis oberts i tancats i que la transició entre uns i altres no és brusca si es compara amb altres regions d'estructura coneguda (regió 5' no codificant). Els resultats dels assajos in vitro amb els dos models de RNasa P mostren que s'ha aconseguit dirigir tant la ribonucleasa P humana com el ribozim M1GS cap a una zona, predeterminada segons l'estudi d'accessibilitat, com a poc estructurada i tallar l'RNA del virus. De l'anàlisi de mutacions, però, es dedueix que la regió estudiada és variable. Tot i dirigir el ribozim cap a la zona més accessible, la variació de la diana podria afectar la interacció amb la seqüència guia i per tant disminuir l'eficiència de tall. Si es proposés una estratègia terapèutica consistiria en un atac simultani de vàries dianes.D'altra banda i derivat d'un resultat inesperat on s'ha observat en els experiments control que l'extracte de RNasa P humana tallava l'RNA viral en absència de seqüències guia externes, s'ha caracteritzat una nova interacció entre l'RNA del VHC i la RNasa P humana. Per a la identificació de l'enzim responsable dels talls s'han aplicat diferents tècniques que es poden dividir en mètodes directes (RNA fingerprinting) i indirectes (immunoprecipitació i inhibicions competitives). Els resultats demostren que la ribonucleasa P humana, i no un altre enzim contaminant de l'extracte purificat, és la responsable dels dos talls específics observats i que es localitzen, un a l'entrada interna al ribosoma (IRES) i molt a prop del codó AUG d'inici de la traducció i l'altre entre la regió codificant estructural i no estructural. La ribonucleasa P és un dels enzims del metabolisme del tRNA que s'utilitza per identificar estructures similars al tRNA en substrats diferents del substrat natural. Així doncs, el fet que la ribonucleasa P reconegui i talli el genoma del VHC en dues posicions determinades suggereix que, a les zones de tall, el virus conté estructures semblants al substrat natural, és a dir estructures tipus tRNA. A més, tot i que el VHC és molt variable, els resultats indiquen que aquestes estructures poden ser importants per el virus, ja que es mantenen en totes les variants naturals analitzades. Creiem que la seva presència podria permetre al genoma interaccionar amb factors cel·lulars que intervenen en la biologia del tRNA,particularment en el cas de l'estructura tipus tRNA que es localitza a l'element IRES. Independentment però de la seva funció, es converteixen en unes noves dianes terapèutiques per a la RNasa P. S'ha de replantejar però l'estratègia inicial ja que la similitud amb el tRNA les fa susceptibles a l'atac de la ribonucleasa P, directament, en absència de seqüències guia externes.

Sequence and Structural Analysis of the 5 ` Noncoding Region of Hepatitis C Virus in Patients With Chronic Infection

Hepatitis C virus (HCV), exhibits considerable genetic diversity, but presents a relatively well conserved 5 ` noncoding region (5 ` NCR) among all genotypes. In this study, the structural features and translational efficiency of the HCV 5 ` NCR sequences were analyzed using the programs RNAfold, RNAshapes and RNApdist and with a bicistronic dual luciferase expression system, respectively. RNA structure prediction software indicated that base substitutions will alter potentially the 5 ` NCR structure. The heterogeneous sequence observed on 5 ` NCR led to important changes in their translation efficiency in different cell culture lines. Interactions of the viral RNA with cellular transacting factors may vary according to the cell type and viral genome polymorphisms that may result in the translational efficiency observed. J. Med. Virol. 81: 1212-1219, 2009. (C) 2009 Wiley-Liss, Inc.

Properties of an in vitro selected Pb2+ cleavage motif

The addition of Pb 2+ to a small RNA molecule consisting of an asymmetric internal loop of six nucleotides results in site-specific cleavage followed by hydrolysis of the 2′,3′-cyclic phosphate intermediate [Pan, T., & Uhlenbeck, O. C. (1992) Nature 358, 560-563]. Here we show that the reaction is highly specific for Pb 2+ and the cleavage rate increases exponentially with pH from 5.5 to 7.0, both in the presence and in the absence of Mg 2+. This suggests that the reaction mechanism involves Pb 2+ hydroxide acting as a base. Several sequence variants of the RNA are found to be equally active in both steps of the reaction, suggesting that they fold into a similar structure.

Kaposi's sarcoma-associated herpesvirus latency-associated nuclear antigen 1 mimics Epstein-Barr virus EBNA1 immune evasion through central repeat domain effects on protein processing

Kaposi's sarcoma-associated herpesvirus (KSHV/human herpesvirus 8 [HHV8]) and Epstein-Barr virus (EBV/HHV4) are distantly related gammaherpesviruses causing tumors in humans. KSHV latency-associated nuclear antigen 1 (LANA1) is functionally similar to the EBV nuclear antigen-1 (EBNA1) protein expressed during viral latency, although they have no amino acid similarities. EBNA1 escapes cytotoxic lymphocyte (CTL) antigen processing by inhibiting its own proteosomal degradation and retarding its own synthesis to reduce defective ribosomal product processing. We show here that the LANA1 QED-rich central repeat (CR) region, particularly the CR2CR3 subdomain, also retards LANA1 synthesis and markedly enhances LANA1 stability in vitro and in vivo. LANA1 isoforms have half-lives greater than 24 h, and fusion of the LANA1 CR2CR3 domain to a destabilized heterologous protein markedly decreases protein turnover. Unlike EBNA1, the LANA1 CR2CR3 subdomain retards translation regardless of whether it is fused to the 5′ or 3′ end of a heterologous gene construct. Manipulation of sequence order, orientation, and composition of the CR2 and CR3 subdomains suggests that specific peptide sequences rather than RNA structures are responsible for synthesis retardation. Although mechanistic differences exist between LANA1 and EBNA1, the primary structures of both proteins have evolved to minimize provoking CTL immune responses. Simple strategies to eliminate these viral inhibitory regions may markedly improve vaccine effectiveness by maximizing CTL responses. Copyright © 2007, American Society for Microbiology. All Rights Reserved.

EIF5A dimerizes not only in vitro but also in vivo and its molecular envelope is similar to the EF-P monomer

The protein eukaryotic initiation factor 5A (eIF5A) is highly conserved among archaea and eukaryotes, but not in bacteria. Bacteria have the elongation factor P (EF-P), which is structurally and functionally related to eIF5A. eIF5A is essential for cell viability and the only protein known to contain the amino acid residue hypusine, formed by post-translational modification of a specific lysine residue. Although eIF5A was initially identified as a translation initiation factor, recent studies strongly support a function for eIF5A in the elongation step of translation. However, the mode of action of eIF5A is still unknown. Here, we analyzed the oligomeric state of yeast eIF5A. First, by using size-exclusion chromatography, we showed that this protein exists as a dimer in vitro, independent of the hypusine residue or electrostatic interactions. Protein-protein interaction assays demonstrated that eIF5A can form oligomers in vitro and in vivo, in an RNA-dependent manner, but independent of the hypusine residue or the ribosome. Finally, small-angle X-ray scattering (SAXS) experiments confirmed that eIF5A behaves as a stable dimer in solution. Moreover, the molecular envelope determined from the SAXS data shows that the eIF5A dimer is L-shaped and superimposable on the tRNAPhe tertiary structure, analogously to the EF-P monomer. © 2012 Springer-Verlag.

Switching on the fluorescence of 2-aminopurine by site-selective microhydration

​2-Aminopurine (​2AP) is a fluorescent isomer of ​adenine and has a fluorescence lifetime of ~11 ns in water. It is widely used in biochemical settings as a site-specific fluorescent probe of DNA and RNA structure and base-flipping and -folding. These assays assume that ​2AP is intrinsically strongly fluorescent. Here, we show this not to be the case, observing that gas-phase, jet-cooled ​2-aminopurine and ​9-methyl-2-aminopurine have very short fluorescence lifetimes (156 ps and 210 ps, respectively); they are, to all intents and purposes, non-fluorescent. We find that the lifetime of ​2-aminopurine increases dramatically when it is part of a hydrate cluster, 2AP·(H2O)n, where n = 1–3. Not only does it depend on the presence of water molecules, it also depends on the specific hydrogen-bonding site to which they attach and on the number of H2O molecules at that site. We selectively microhydrate ​2-aminopurine at its sugar-edge, cis-amino or trans-amino sites and see that its fluorescence lifetime increases by 4, 50 and 95 times (to 14.5 ns), respectively.

Lock-free Parallel Dynamic Programming

We show a method for parallelizing top down dynamic programs in a straightforward way by a careful choice of a lock-free shared hash table implementation and randomization of the order in which the dynamic program computes its subproblems. This generic approach is applied to dynamic programs for knapsack, shortest paths, and RNA structure alignment, as well as to a state-of-the-art solution for minimizing the máximum number of open stacks. Experimental results are provided on three different modern multicore architectures which show that this parallelization is effective and reasonably scalable. In particular, we obtain over 10 times speedup for 32 threads on the open stacks problem.

A mutant allele of essential, general translation initiation factor DED1 selectively inhibits translation of a viral mRNA

Positive-strand RNA virus genomes are substrates for translation, RNA replication, and encapsidation. To identify host factors involved in these functions, we used the ability of brome mosaic virus (BMV) RNA to replicate in yeast. We report herein identification of a mutation in the essential yeast gene DED1 that inhibited BMV RNA replication but not yeast growth. DED1 encodes a DEAD (Asp-Glu-Ala-Asp)-box RNA helicase required for translation initiation of all yeast mRNAs. Inhibition of BMV RNA replication by the mutant DED1 allele (ded1–18) resulted from inhibited expression of viral polymerase-like protein 2a, encoded by BMV RNA2. Inhibition of RNA2 translation was selective, with no effect on general cellular translation or translation of BMV RNA1-encoded replication factor 1a, and was independent of p20, a cellular antagonist of DED1 function in translation. Inhibition of RNA2 translation in ded1–18 yeast required the RNA2 5′ noncoding region (NCR), which also conferred a ded1–18-specific reduction in expression on a reporter gene mRNA. Comparison of the similar RNA1 and RNA2 5′ NCRs identified a 31-nucleotide RNA2-specific region that was required for the ded1–18-specific RNA2 translation block and attenuated RNA2 translation in wild-type yeast. Further comparisons and RNA structure predictions suggest a modular arrangement of replication and translation signals in RNA1 and RNA2 5′ NCRs that appears conserved among bromoviruses. The 5′ attenuator and DED1 dependence of RNA2 suggest that, despite its divided genome, BMV regulates polymerase translation relative to other replication factors, just as many single-component RNA viruses use translational read-through and frameshift mechanisms to down-regulate polymerase. The results show that a DEAD-box helicase can selectively activate translation of a specific mRNA and may provide a paradigm for translational regulation by other members of the ubiquitous DEAD-box RNA helicase family.

Cooperative binding of effectors by an allosteric ribozyme

An allosteric ribozyme that requires two different effectors to induce catalysis was created using modular rational design. This ribozyme construct comprises five conjoined RNA modules that operate in concert as an obligate FMN- and theophylline-dependent molecular switch. When both effectors are present, this ‘binary’ RNA switch self-cleaves with a rate enhancement of ∼300-fold over the rate observed in the absence of effectors. Kinetic and structural studies implicate a switching mechanism wherein FMN binding induces formation of the active ribozyme conformation. However, the binding site for FMN is rendered inactive unless theophylline first binds to its corresponding site and reorganizes the RNA structure. This example of cooperative binding between allosteric effectors reveals a level of structural and functional complexity for RNA that is similar to that observed with allosteric proteins.

The thermodynamic origin of the stability of a thermophilic ribozyme

Understanding the mechanism of thermodynamic stability of an RNA structure has significant implications for the function and design of RNA. We investigated the equilibrium folding of a thermophilic ribozyme and its mesophilic homologue by using hydroxyl radical protection, small-angle x-ray scattering, and circular dichroism. Both RNAs require Mg2+ to fold to their native structures that are very similar. The stability is measured as a function of Mg2+ and urea concentrations at different temperatures. The enhanced stability of the thermophilic ribozyme primarily is derived from a tremendous increase in the amount of structure formed in the ultimate folding transition. This increase in structure formation and cooperativity arises because the penultimate and the ultimate folding transitions in the mesophilic ribozyme become linked into a single transition in the folding of the thermophilic ribozyme. Therefore, the starting point, or reference state, for the transition to the native, functional thermophilic ribozyme is significantly less structured. The shift in the reference state, and the resulting increase in folding cooperativity, is likely due to the stabilization of selected native interactions that only form in the ultimate transition. This mechanism of using a less structured intermediate and increased cooperativity to achieve higher functional stability for tertiary RNAs is fundamentally different from that commonly proposed to explain the increased stability of thermophilic proteins.