Molecular modeling study of the binding and signaling properties of the TCRpMHC complex

The activation of the specific immune response against tumor cells is based on the recognition by the CD8+ Cytotoxic Τ Lymphocytes (CTL), of antigenic peptides (p) presented at the surface of the cell by the class I major histocompatibility complex (MHC). The ability of the so-called T-Cell Receptors (TCR) to discriminate between self and non-self peptides constitutes the most important specific control mechanism against infected cells. The TCR/pMHC interaction has been the subject of much attention in cancer therapy since the design of the adoptive transfer approach, in which Τ lymphocytes presenting an interesting response against tumor cells are extracted from the patient, expanded in vitro, and reinfused after immunodepletion, possibly leading to cancer regression. In the last decade, major progress has been achieved by the introduction of engineered lypmhocytes. In the meantime, the understanding of the molecular aspects of the TCRpMHC interaction has become essential to guide in vitro and in vivo studies. In 1996, the determination of the first structure of a TCRpMHC complex by X-ray crystallography revealed the molecular basis of the interaction. Since then, molecular modeling techniques have taken advantage of crystal structures to study the conformational space of the complex, and understand the specificity of the recognition of the pMHC by the TCR. In the meantime, experimental techniques used to determine the sequences of TCR that bind to a pMHC complex have been used intensively, leading to the collection of large repertoires of TCR sequences that are specific for a given pMHC. There is a growing need for computational approaches capable of predicting the molecular interactions that occur upon TCR/pMHC binding without relying on the time consuming resolution of a crystal structure. This work presents new approaches to analyze the molecular principles that govern the recognition of the pMHC by the TCR and the subsequent activation of the T-cell. We first introduce TCRep 3D, a new method to model and study the structural properties of TCR repertoires, based on homology and ab initio modeling. We discuss the methodology in details, and demonstrate that it outperforms state of the art modeling methods in predicting relevant TCR conformations. Two successful applications of TCRep 3D that supported experimental studies on TCR repertoires are presented. Second, we present a rigid body study of TCRpMHC complexes that gives a fair insight on the TCR approach towards pMHC. We show that the binding mode of the TCR is correctly described by long-distance interactions. Finally, the last section is dedicated to a detailed analysis of an experimental hydrogen exchange study, which suggests that some regions of the constant domain of the TCR are subject to conformational changes upon binding to the pMHC. We propose a hypothesis of the structural signaling of TCR molecules leading to the activation of the T-cell. It is based on the analysis of correlated motions in the TCRpMHC structure. - L'activation de la réponse immunitaire spécifique dirigée contre les cellules tumorales est basée sur la reconnaissance par les Lymphocytes Τ Cytotoxiques (CTL), d'un peptide antigénique (p) présenté à la suface de la cellule par le complexe majeur d'histocompatibilité de classe I (MHC). La capacité des récepteurs des lymphocytes (TCR) à distinguer les peptides endogènes des peptides étrangers constitue le mécanisme de contrôle le plus important dirigé contre les cellules infectées. L'interaction entre le TCR et le pMHC est le sujet de beaucoup d'attention dans la thérapie du cancer, depuis la conception de la méthode de transfer adoptif: les lymphocytes capables d'une réponse importante contre les cellules tumorales sont extraits du patient, amplifiés in vitro, et réintroduits après immunosuppression. Il peut en résulter une régression du cancer. Ces dix dernières années, d'importants progrès ont été réalisés grâce à l'introduction de lymphocytes modifiés par génie génétique. En parallèle, la compréhension du TCRpMHC au niveau moléculaire est donc devenue essentielle pour soutenir les études in vitro et in vivo. En 1996, l'obtention de la première structure du complexe TCRpMHC à l'aide de la cristallographie par rayons X a révélé les bases moléculaires de l'interaction. Depuis lors, les techniques de modélisation moléculaire ont exploité les structures expérimentales pour comprendre la spécificité de la reconnaissance du pMHC par le TCR. Dans le même temps, de nouvelles techniques expérimentales permettant de déterminer la séquence de TCR spécifiques envers un pMHC donné, ont été largement exploitées. Ainsi, d'importants répertoires de TCR sont devenus disponibles, et il est plus que jamais nécessaire de développer des approches informatiques capables de prédire les interactions moléculaires qui ont lieu lors de la liaison du TCR au pMHC, et ce sans dépendre systématiquement de la résolution d'une structure cristalline. Ce mémoire présente une nouvelle approche pour analyser les principes moléculaires régissant la reconnaissance du pMHC par le TCR, et l'activation du lymphocyte qui en résulte. Dans un premier temps, nous présentons TCRep 3D, une nouvelle méthode basée sur les modélisations par homologie et ab initio, pour l'étude de propriétés structurales des répertoires de TCR. Le procédé est discuté en détails et comparé à des approches standard. Nous démontrons ainsi que TCRep 3D est le plus performant pour prédire des conformations pertinentes du TCR. Deux applications à des études expérimentales des répertoires TCR sont ensuite présentées. Dans la seconde partie de ce travail nous présentons une étude de complexes TCRpMHC qui donne un aperçu intéressant du mécanisme d'approche du pMHC par le TCR. Finalement, la dernière section se concentre sur l'analyse détaillée d'une étude expérimentale basée sur les échanges deuterium/hydrogène, dont les résultats révèlent que certaines régions clés du domaine constant du TCR sont sujettes à un changement conformationnel lors de la liaison au pMHC. Nous proposons une hypothèse pour la signalisation structurelle des TCR, menant à l'activation du lymphocyte. Celle-ci est basée sur l'analyse des mouvements corrélés observés dans la structure du TCRpMHC.

Biosphere/lithosphere interface : microbially-mediated CaCO3 precipitation in hypersaline and freshwater environments

Abstract: Microbial mats very efficiently cycle elements, such as C, 0, N, S and H, which makes them key players of redox processes at the biosphere-lithosphere interface. They are characterized by high metabolic activities and high turnover rates (production and consumption) of biomass, which mainly consists of cell material and of extracellular organic matter (EOM). The EOM forms a matrix, embedding the microbial cells and fulfilling various functions within the microbial mat, including: mat attachment to surfaces; creation of micro-domains within the mat; physical stabilization under hy- drodynamic stress and the protection of the cells in multiple other stress conditions. EOM mainly consists of polysaccharides, amino acids, and a variety of chemical func-tional groups {e.g., -C00H, - SH -OH). These groups strongly bind cations such as Ca2+ and Mg2+ and thus exert a strong control on carbonate mineral formation within the microbial mat. A feedback mechanism between community metabolisms, their prod¬ucts, and the surrounding physicochemical microenvironment thus influences the de¬gree of carbonate saturation favoring either carbonate precipitation or dissolution. We investigated the driving forces and mechanisms of microbialite formation in the Sari ne River, FR, Switzerland, the hypersaline lake, Big Pond, Bahamas and in labo¬ratory experiments. The two fundamentally different natural systems allowed us to compare the geochemical conditions and microbial metabolisms, necessary for car¬bonate formation in microbial mats. Although carbonates are oversaturated in both environments, precipitation does not occur on physicochemical substrates (i.e. out¬side the microbial mats). In the Sarine a high crystal nucleation threshold exceeds the carbonate saturation, despite the high carbonate alkalinity in the water column. Cyanobacterial photosynthesis strongly locally enhances the carbonate alkalinity, whereas the EOM attract and immobilize calcium, which increases the saturation state and finally leads to carbonate precipitation within the EOM (in this case the cyanobacterial sheath) as nucleation template. In Big Pond, the presence of calcium- chelating anions (i.e. sulfate) and EOM, as well as the presence of magnesium, lowers the calcium activity in the water column and mat, and thus inhibits carbonate pre¬cipitation. Coupled with other heterotrophic metabolisms, sulfate reduction uses the EOM as carbon source, degrading it. The resulting EOM consumption creates alkalin¬ity, releases calcium and consumes sulfate in mat-micro domains, which leads to the formation of carbonate layers at the top of the microbial mat. Résumé: Interface biosphère/lithosphère: médiation microbienne de la précipitation de CaC03 dans des environnements en eaux douces et hypersalines Les tapis microbiens engendrent une circulation très efficace des éléments, tels que C, 0, N, S et H, ce qui en fait des acteurs clé pour les processus d'oxydoréduction à l'inter¬face biosphère-lithosphère. Ils sont caractérisés par des taux élevés d'activité méta¬bolique, ainsi que par la production et la consommation de biomasse, principalement constituée de cellules microbiennes et de matière organique extracellulaire (MOE). Dans un tapis microbien, les cellules microbiennes sont enveloppées par une matrice de MOE qui a différentes fonctions dont l'attachement du tapis aux surfaces, la créa¬tion de micro-domaines dans le tapis, la stabilisation physique en situation de stress hydrodynamique, et la protection des cellules dans de multiples autres conditions de stress. La MOE se compose principalement de polysaccharides, d'acides aminés, et d'une variété de groupes fonctionnels chimiques (par exemple, COOH, -SH et -OH). Ces groupes se lient fortement aux cations, tels que Ca2+ et Mg2+, et exercent ainsi un contrôle fort sur la formation de CaC03 dans le tapis microbien. Un mécanisme de rétroaction, entre les métabolismes de la communauté microbienne, leurs produits, et le microenvironnement physico-chimique, influence le degré de saturation de car¬bonate, favorisant soit leur précipitation, soit leur dissolution. Nous avons étudié le moteur et les mécanismes de minéralisation dans des tapis de la Sarine, FR, Suisse et du lac hypersalin, Big Pond, aux Bahamas, ainsi que durant des expériences en laboratoire. Les deux systèmes naturels, fondamentalement dif¬férents, nous ont permis de comparer les conditions géochimiques et les métabolis¬mes nécessaires à la formation des carbonates dans des tapis microbiens. Bien que les carbonates soient sursaturés dans les deux environnements, la précipitation ne se produit pas sur des substrats physico-chimiques (en dehors du tapis microbien). Dans la Sarine, malgré un taux d'alcalinité élevé, les valeurs de seuil pour la nucléa- tion de carbonates sont plus hautes que la saturation du carbonate. La photosynthèse cyanobactérienne augmente localement l'alcalinité, alors que la MOE attire et immo¬bilise le calcium, ce qui augmente l'état de saturation et conduit finalement à la pré¬cipitation des carbonates, en utilisant la MOE comme substrat de nucléation. À Big Pond, la présence de chélateurs de calcium, notamment les anions (p.ex. le sulfate) et la MOE, ainsi que la présence de magnésium, réduit l'activité du calcium et inhibe en conséquence la précipitation des carbonates. Couplée avec d'autres métabolismes hétérotrophes, la réduction des sulfates utilise la MOE comme source de carbone, en la dégradant. Cette consommation de MOE crée l'alcalinité, consomme des sulfates et libère du calcium dans des micro-domaines, conduisant à la formation de couches de carbonates dans le haut du tapis microbien.

Electron microscopy of RecA-DNA complexes: Two different states, their functional significance and relation to the solved crystal structure

Seven different electron microscopy techniques habe been employed to study the RecA protein of E. coli. This review provides a summary of the conclusions that have been drawn from these studies, and attempts to relate these observations to models for the role of RecA protein in homologous recombination.

Crystal packing modifies ligand binding affinity: the case of aldose reductase.

The relationship between the structures of protein-ligand complexes existing in the crystal and in solution, essential in the case of fragment-based screening by X-ray crystallography (FBS-X), has been often an object of controversy. To address this question, simultaneous co-crystallization and soaking of two inhibitors with different ratios, Fidarestat (FID; K(d) = 6.5 nM) and IDD594 (594; K(d) = 61 nM), which bind to h-aldose reductase (AR), have been performed. The subatomic resolution of the crystal structures allows the differentiation of both inhibitors, even when the structures are almost superposed. We have determined the occupation ratio in solution by mass spectrometry (MS) Occ(FID)/Occ(594) = 2.7 and by X-ray crystallography Occ(FID)/Occ(594) = 0.6. The occupancies in the crystal and in solution differ 4.6 times, implying that ligand binding potency is influenced by crystal contacts. A structural analysis shows that the Loop A (residues 122-130), which is exposed to the solvent, is flexible in solution, and is involved in packing contacts within the crystal. Furthermore, inhibitor 594 contacts the base of Loop A, stabilizing it, while inhibitor FID does not. This is shown by the difference in B-factors of the Loop A between the AR-594 and AR-FID complexes. A stable loop diminishes the entropic energy barrier to binding, favoring 594 versus FID. Therefore, the effect of the crystal environment should be taken into consideration in the X-ray diffraction analysis of ligand binding to proteins. This conclusion highlights the need for additional methodologies in the case of FBS-X to validate this powerful screening technique, which is widely used.

Quantitative analysis of crystal/grain sizes and their distributions in 2D and 3D

We review methods to estimate the average crystal (grain) size and the crystal (grain) size distribution in solid rocks. Average grain sizes often provide the base for stress estimates or rheological calculations requiring the quantification of grain sizes in a rock's microstructure. The primary data for grain size data are either 1D (i.e. line intercept methods), 2D (area analysis) or 3D (e.g., computed tomography, serial sectioning). These data have been used for different data treatments over the years, whereas several studies assume a certain probability function (e.g., logarithm, square root) to calculate statistical parameters as the mean, median, mode or the skewness of a crystal size distribution. The finally calculated average grain sizes have to be compatible between the different grain size estimation approaches in order to be properly applied, for example, in paleo-piezometers or grain size sensitive flow laws. Such compatibility is tested for different data treatments using one- and two-dimensional measurements. We propose an empirical conversion matrix for different datasets. These conversion factors provide the option to make different datasets compatible with each other, although the primary calculations were obtained in different ways. In order to present an average grain size, we propose to use the area-weighted and volume-weighted mean in the case of unimodal grain size distributions, respectively, for 2D and 3D measurements. The shape of the crystal size distribution is important for studies of nucleation and growth of minerals. The shape of the crystal size distribution of garnet populations is compared between different 2D and 3D measurements, which are serial sectioning and computed tomography. The comparison of different direct measured 3D data; stereological data and direct presented 20 data show the problems of the quality of the smallest grain sizes and the overestimation of small grain sizes in stereological tools, depending on the type of CSD. (C) 2011 Published by Elsevier Ltd.

Crystal structure of yeast peroxisomal multifunctional enzyme: structural basis for substrate specificity of (3R)-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase units.

(3R)-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase is part of multifunctional enzyme type 2 (MFE-2) of peroxisomal fatty acid beta-oxidation. The MFE-2 protein from yeasts contains in the same polypeptide chain two dehydrogenases (A and B), which possess difference in substrate specificity. The crystal structure of Candida tropicalis (3R)-hydroxyacyl-CoA dehydrogenase AB heterodimer, consisting of dehydrogenase A and B, determined at the resolution of 2.2A, shows overall similarity with the prototypic counterpart from rat, but also important differences that explain the substrate specificity differences observed. Docking studies suggest that dehydrogenase A binds the hydrophobic fatty acyl chain of a medium-chain-length ((3R)-OH-C10) substrate as bent into the binding pocket, whereas the short-chain substrates are dislocated by two mechanisms: (i) a short-chain-length 3-hydroxyacyl group ((3R)-OH-C4) does not reach the hydrophobic contacts needed for anchoring the substrate into the active site; and (ii) Leu44 in the loop above the NAD(+) cofactor attracts short-chain-length substrates away from the active site. Dehydrogenase B, which can use a (3R)-OH-C4 substrate, has a more shallow binding pocket and the substrate is correctly placed for catalysis. Based on the current structure, and together with the structure of the 2-enoyl-CoA hydratase 2 unit of yeast MFE-2 it becomes obvious that in yeast and mammalian MFE-2s, despite basically identical functional domains, the assembly of these domains into a mature, dimeric multifunctional enzyme is very different.

Further characterisation of the 91500 zircon crystal

This paper reports the results from a second characterisation of the 91500 zircon, including data from electron probe microanalysis, laser ablation inductively coupled plasma-mass spectrometry (LA-ICP-MS), secondary ion mass spectrometry (SIMS) and laser fluorination analyses. The focus of this initiative was to establish the suitability of this large single zircon crystal for calibrating in situ analyses of the rare earth elements and oxygen isotopes, as well as to provide working values for key geochemical systems. In addition to extensive testing of the chemical and structural homogeneity of this sample, the occurrence of banding in 91500 in both backscattered electron and cathodoluminescence images is described in detail. Blind intercomparison data reported by both LA-ICP-MS and SIMS laboratories indicate that only small systematic differences exist between the data sets provided by these two techniques. Furthermore, the use of NIST SRM 610 glass as the calibrant for SIMS analyses was found to introduce little or no systematic error into the results for zircon. Based on both laser fluorination and SIMS data, zircon 91500 seems to be very well suited for calibrating in situ oxygen isotopic analyses.

CPPD crystal deposition disease in patients with rheumatoid arthritis.

The aim of this study was to assess the frequency and the outcome of patients suffering from rheumatoid arthritis in which calcium pyrophosphate dihydrate (CPPD) crystal deposits were found to coexist in synovial fluid analysis. Such association was more frequent than previously believed with CPPD crystals found in 25.8% of 93 patients with rheumatoid arthritis. As a group, a trend toward a worse outcome was suggested by more frequent prostheses of the lower limb.

"Est-ce que je pourrai retravailler un jour, docteur ? " Les patients atteints de cancer et le travail: quel rôle pour le médecin ?

Contexte : Le retour au travail des personnes atteintes d'un cancer devient, depuis quelques années, un sujet de préoccupation au niveau de la santé publique. En effet, grâce aux nouvelles techniques de dépistage et de traitement, les taux de guérisons sont de plus en plus élevés, et avec eux la possibilité d'un retour dans la vie professionnelle. Il a cependant été constaté qu'un certain nombre de patients rencontraient des problèmes dans la réinsertion. Les facteurs rentrant en compte dans la problématique du retour au travail sont très variés, allant du type de cancer aux caractéristiques du patient et de son environnement de travail, en passant par la qualité de la prise en charge. Plusieurs études ont été faites en vue d'améliorer cette dernière. Certaines se sont penchées sur le rôle du médecin, en général du médecin du travail. La situation en Suisse est particulière car il y a peu de médecins du travail, la responsabilité d'aborder la question du retour au travail des patients repose donc sur les médecins oncologues ou généralistes.¦But de l'étude : Explorer le rôle des médecins dans la prise en charge de la problématique du travail chez les patients atteints de cancer ; en mettant en évidence de quelle manière ceci est abordé dans la littérature, puis en abordant avec des médecins leur attitude en pratique, l'importance qu'ils accordent à ce problème, de quelle manière ils essaient de le détecter et de le prendre en charge, et les difficultés qu'ils pourraient rencontrer dans cette démarche.¦Méthode : Revue de la littérature. Entretiens qualitatifs, semi-structurés, basés sur une grille d'entretien thématique, avec huit médecins de Suisse romande, oncologues et généralistes. Analyse qualitative des résultats selon la grille et mise en perspective des résultats par la littérature existante.¦Résultats : La majorité des médecins interrogés considère que c'est dans leur rôle d'aborder la problématique du travail, mais ils accordent aussi une grande importance à l'assistant social, qu'ils impliquent plus ou moins dans la prise en charge. Les participants confirment tous l'importance de la problématique, bien que la plupart pensent que le retour au travail se déroule bien pour la majorité des patients. Ils l'abordent pour la plupart avec leurs patients, cependant ceci se fait de manière peu systématique et est compliqué par le manque de connaissances sur l'impact du cancer sur le travail. Pour remédier à cela et repérer les situations à risque, ils se basent surtout sur leur expérience personnelle et sur l'évaluation avec le patient. Ils mettent en évidence la spécificité de chaque situation et la nécessité de personnaliser la discussion de ce problème, ceci fait qu'ils ont de la peine à imaginer l'utilité de guidelines ou de brochures d'information. Toutefois, les avis sont partagés, certains pointent des manques et seraient intéressés par des ressources supplémentaires.¦Conclusion : L'importance du rôle des médecins dans la problématique du travail chez les patients atteints de cancer a été prouvée dans plusieurs études. Cependant, peu d'études ont encore exploré le point de vue des médecins, ce qui rend cette étude intéressante. Celle-ci explore l'attitude des médecins en Suisse Romande, et révèle que le problème y est pris en charge de manière personnalisée, mais pas de manière systématique et que ceci pourrait potentiellement être amélioré. Dans ce but, il reste encore à définir des mesures concrètes.