Enzymic, phylogenetic, and structural characterization of the unusual papain-like protease domain of Plasmodium falciparum SERA5.

Serine repeat antigen 5 (SERA5) is an abundant antigen of the human malaria parasite Plasmodium falciparum and is the most strongly expressed member of the nine-gene SERA family. It appears to be essential for the maintenance of the erythrocytic cycle, unlike a number of other members of this family, and has been implicated in parasite egress and/or erythrocyte invasion. All SERA proteins possess a central domain that has homology to papain except in the case of SERA5 (and some other SERAs), where the active site cysteine has been replaced with a serine. To investigate if this domain retains catalytic activity, we expressed, purified, and refolded a recombinant form of the SERA5 enzyme domain. This protein possessed chymotrypsin-like proteolytic activity as it processed substrates downstream of aromatic residues, and its activity was reversed by the serine protease inhibitor 3,4-diisocoumarin. Although all Plasmodium SERA enzyme domain sequences share considerable homology, phylogenetic studies revealed two distinct clusters across the genus, separated according to whether they possess an active site serine or cysteine. All Plasmodia appear to have at least one member of each group. Consistent with separate biological roles for members of these two clusters, molecular modeling studies revealed that SERA5 and SERA6 enzyme domains have dramatically different surface properties, although both have a characteristic papain-like fold, catalytic cleft, and an appropriately positioned catalytic triad. This study provides impetus for the examination of SERA5 as a target for antimalarial drug design.

Molecular identification and characterization of the Arabidopsis delta(3,5),delta(2,4)-dienoyl-coenzyme A isomerase, a peroxisomal enzyme participating in the beta-oxidation cycle of unsaturated fatty acids.

Degradation of unsaturated fatty acids through the peroxisomal beta-oxidation pathway requires the participation of auxiliary enzymes in addition to the enzymes of the core beta-oxidation cycle. The auxiliary enzyme delta(3,5),delta(2,4)-dienoyl-coenzyme A (CoA) isomerase has been well studied in yeast (Saccharomyces cerevisiae) and mammals, but no plant homolog had been identified and characterized at the biochemical or molecular level. A candidate gene (At5g43280) was identified in Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) encoding a protein showing homology to the rat (Rattus norvegicus) delta(3,5),delta(2,4)-dienoyl-CoA isomerase, and possessing an enoyl-CoA hydratase/isomerase fingerprint as well as aspartic and glutamic residues shown to be important for catalytic activity of the mammalian enzyme. The protein, named AtDCI1, contains a peroxisome targeting sequence at the C terminus, and fusion of a fluorescent protein to AtDCI1 directed the chimeric protein to the peroxisome in onion (Allium cepa) cells. AtDCI1 expressed in Escherichia coli was shown to have delta(3,5),delta(2,4)-dienoyl-CoA isomerase activity in vitro. Furthermore, using the synthesis of polyhydroxyalkanoate in yeast peroxisomes as an analytical tool to study the beta-oxidation cycle, expression of AtDCI1 was shown to complement the yeast mutant deficient in the delta(3,5),delta(2,4)-dienoyl-CoA isomerase, thus showing that AtDCI1 is also appropriately targeted to the peroxisome in yeast and has delta(3,5),delta(2,4)-dienoyl-CoA isomerase activity in vivo. The AtDCI1 gene is expressed constitutively in several tissues, but expression is particularly induced during seed germination. Proteins showing high homology with AtDCI1 are found in gymnosperms as well as angiosperms belonging to the Monocotyledon or Dicotyledon classes.

Identification and characterization of novel classes of macrophage migration inhibitory factor (MIF) inhibitors with distinct mechanisms of action.

Macrophage migration inhibitory factor (MIF), a proinflammatory cytokine, is considered an attractive therapeutic target in multiple inflammatory and autoimmune disorders. In addition to its known biologic activities, MIF can also function as a tautomerase. Several small molecules have been reported to be effective inhibitors of MIF tautomerase activity in vitro. Herein we employed a robust activity-based assay to identify different classes of novel inhibitors of the catalytic and biological activities of MIF. Several novel chemical classes of inhibitors of the catalytic activity of MIF with IC(50) values in the range of 0.2-15.5 microm were identified and validated. The interaction site and mechanism of action of these inhibitors were defined using structure-activity studies and a battery of biochemical and biophysical methods. MIF inhibitors emerging from these studies could be divided into three categories based on their mechanism of action: 1) molecules that covalently modify the catalytic site at the N-terminal proline residue, Pro(1); 2) a novel class of catalytic site inhibitors; and finally 3) molecules that disrupt the trimeric structure of MIF. Importantly, all inhibitors demonstrated total inhibition of MIF-mediated glucocorticoid overriding and AKT phosphorylation, whereas ebselen, a trimer-disrupting inhibitor, additionally acted as a potent hyperagonist in MIF-mediated chemotactic migration. The identification of biologically active compounds with known toxicity, pharmacokinetic properties, and biological activities in vivo should accelerate the development of clinically relevant MIF inhibitors. Furthermore, the diversity of chemical structures and mechanisms of action of our inhibitors makes them ideal mechanistic probes for elucidating the structure-function relationships of MIF and to further determine the role of the oligomerization state and catalytic activity of MIF in regulating the function(s) of MIF in health and disease.

Characterization of polyphosphate synthesis by isolated yeast vacuoles

Polyphosphate (iPOP) is a linear polymer of orthophosphate units linked together by high energy phosphoanhydride bonds. It is found in all organisms, localized in organelles called acidocalcisomes and ranges from a few to few hundred monomers in length. iPOP has been found to play a vast array of roles in all organisms, including phosphate and energy metabolism, regulation of enzymes, virulence, pathogenicity, bone remodelling and blood clotting, among many others. Recently it was found that iPOP levels were increased in myeloma cells. The growing interest in iPOP in human cell lines makes it an interesting molecule to study. However, not much is known about its metabolism in eukaryotes. Acidocalcisomes are electron dense, acidic organelles that belong to the group of Lysosome Related Organelles (LROs). The conservation of acidocalcisomes among all kingdoms of life is suggestive of their important roles for the organisms. However, they are difficult to analyse because of limited biochemical tools for investigation. Yeast vacuoles present remarkable similarities to acidocalcisomes in terms of their physiological and structural features, including synthesis and storage of iPOP, which make them an ideal candidate to study biological processes which are shared between vacuoles and acidocalcisomes. The availability of tools for genetic manipulation and isolation of vacuoles makes yeast a candidate of choice for the characterization of iPOP synthesis in eukaryotes. Our group has identified the Vacuolar Transporter Chaperone (VTC) complex as iPOP polymerase and identified the catalytic subunit (Vtc4). The goal of my study was to characterize the process of iPOP synthesis by isolated vacuoles and to reconstitute iPOP synthesis in liposomes. The first step was to develop a method for monitoring iPOP by isolated vacuoles over time and comparing it with previously known methods. Next, a detailed characterization was performed to determine the modulators of the process, both for intact as well as solubilized vacuoles. Finally, attempts were made to purify the VTC complex and reconstitute it in liposomes. A parallel line of study was the translocation and storage of synthesized iPOP in the lumen of the vacuoles. As a result of this study, it is possible to determine distinct pools of iPOP- inside and outside the vacuolar lumen. Additionally, I establish that the vacuolar lysate withstands harsh steps during reconstitution on liposomes and retains iPOP synthesizing activity. The next steps will be purification of the intact VTC complex and its structure determination by cryo-electron microscopy. - Les organismes vivants sont composés d'une ou plusieurs cellules responsables des processus biologiques élémentaires tels que la digestion, la respiration, la synthèse et la reproduction. Leur environnement interne est en équilibre et ils réalisent un très grand nombre de réactions chimiques et biochimiques pour maintenir cet équilibre. A différents compartiments cellulaires, ou organelles, sont attribuées des tâches spécifiques pour maintenir les cellules en vie. L'étude de ces fonctions permet une meilleure compréhension de la vie et des organismes vivants. De nombreux processus sont bien connus et caractérisés mais d'autres nécessitent encore des investigations détaillées. L'un de ces processus est le métabolisme des polyphosphates. Ces molécules sont des polymères linéaires de phosphate inorganique dont la taille peut varier de quelques dizaines à quelques centaines d'unités élémentaires. Ils sont présents dans tous les organismes, des bactéries à l'homme. Ils sont localisés principalement dans des compartiments cellulaires appelés acidocalcisomes, des organelles acides observés en microscopie électronique comme des structures denses aux électrons. Les polyphosphates jouent un rôle important dans le stockage et le métabolisme de l'énergie, la réponse au stress, la virulence, la pathogénicité et la résistance aux drogues. Chez l'homme, ils sont impliqués dans la coagulation du sang et le remodelage osseux. De nouvelles fonctions biologiques des polyphosphates sont encore découvertes, ce qui accroît l'intérêt des chercheurs pour ces molécules. Bien que des progrès considérables ont été réalisés afin de comprendre la fonction des polyphosphates chez les bactéries, ce qui concerne la synthèse, le stockage et la dégradation des polyphosphates chez les eucaryotes est mal connu. Les vacuoles de la levure Saccharomyces cerevisiae sont similaires aux acidocalcisomes des organismes supérieurs en termes de structure et de fonction. Les acidocalcisomes sont difficiles à étudier car il n'existe que peu d'outils génétiques et biochimiques qui permettent leur caractérisation. En revanche, les vacuoles peuvent être aisément isolées des cellules vivantes et manipulées génétiquement. Les vacuoles comme les acidocalcisomes synthétisent et stockent les polyphosphates. Ainsi, les découvertes faites grâce aux vacuoles de levures peuvent être extrapolées aux acidocalcisomes des organismes supérieurs. Le but de mon projet était de caractériser la synthèse des polyphosphates par des vacuoles isolées. Au cours de mon travail de thèse, j'ai mis au point une méthode de mesure de la synthèse des polyphosphates par des organelles purifés. Ensuite, j'ai identifié des composés qui modulent la réaction enzymatique lorsque celle-ci a lieu dans la vacuole ou après solubilisation de l'organelle. J'ai ainsi pu mettre en évidence deux groupes distincts de polyphosphates dans le système : ceux au-dehors de la vacuole et ceux en-dedans de l'organelle. Cette observation suggère donc très fortement que les vacuoles non seulement synthétisent les polyphosphates mais aussi transfère les molécules synthétisées de l'extérieur vers l'intérieur de l'organelle. Il est très vraisemblable que les vacuoles régulent le renouvellement des polyphosphates qu'elles conservent, en réponse à des signaux cellulaires. Des essais de purification de l'enzyme synthétisant les polyphosphates ainsi que sa reconstitution dans des liposomes ont également été entrepris. Ainsi, mon travail présente de nouveaux aspects de la synthèse des polyphosphates chez les eucaryotes et les résultats devraient encourager l'élucidation de mécanismes similaires chez les organismes supérieurs. - Les polyphosphates (iPOP) sont des polymères linéaires de phosphates inorganiques liés par des liaisons phosphoanhydres de haute énergie. Ces molécules sont présentes dans tous les organismes et localisées dans des compartiments cellulaires appelés acidocalcisomes. Elles varient en taille de quelques dizaines à quelques centaines d'unités phosphate. Des fonctions nombreuses et variées ont été attribuées aux iPOP dont un rôle dans les métabolismes de l'énergie et du phosphate, dans la régulation d'activités enzymatiques, la virulence, la pathogénicité, le remodelage osseux et la coagulation sanguine. Il a récemment été montré que les cellules de myélome contiennent une grande quantité de iPOP. Il y donc un intérêt croissant pour les iPOP dans les lignées cellulaires humaines. Cependant, très peu d'informations sur le métabolisme des iPOP chez les eucaryotes sont disponibles. Les acidocalcisomes sont des compartiments acides et denses aux électrons. Ils font partie du groupe des organelles similaires aux lysosomes (LROs pour Lysosome Related Organelles). Le fait que les acidocalcisomes soient conservés dans tous les règnes du vivant montrent l'importance de ces compartiments pour les organismes. Cependant, l'analyse de ces organelles est rendue difficile par l'existence d'un nombre limité d'outils biochimiques permettant leur caractérisation. Les vacuoles de levures possèdent des aspects structuraux et physiologiques très similaires à ceux des acidocalcisomes. Par exemple, ils synthétisent et gardent en réserve les iPOP. Ceci fait des vacuoles de levure un modèle idéal pour l'étude de processus biologiques conservés chez les vacuoles et les acidocalcisomes. De plus, la levure est un organisme de choix pour l'étude de la synthèse des iPOP compte-tenu de l'existence de nombreux outils génétiques et la possibilité d'isoler des vacuoles fonctionnelles. Notre groupe a identifié le complexe VTC (Vacuole transporter Chaperone) comme étant responsable de la synthèse des iPOP et la sous-unité Vtc4p comme celle possédant l'activité catalytique. L'objectif de cette étude était de caractériser le processus de synthèse des iPOP en utilisant des vacuoles isolées et de reconstituer la synthèse des iPOP dans des liposomes. La première étape a consisté en la mise au point d'un dosage permettant la mesure de la quantité de iPOP synthétisés par les organelles isolés en fonction du temps. Cette nouvelle méthode a été comparée aux méthodes décrites précédemment dans la littérature. Ensuite, la caractérisation détaillée du processus a permis d'identifier des composés modulateurs de la réaction à la fois pour des vacuoles intactes et des vacuoles solubilisées. Enfin, des essais de purification du complexe VTC et sa reconstitution dans des liposomes ont été entrepris. De façon parallèle, une étude sur la translocation et le stockage des iPOP dans le lumen des vacuoles a été menée. Il a ainsi été possible de mettre en évidence différents groupes de iPOP : les iPOP localisés à l'intérieur et ceux localisés à l'extérieur des vacuoles isolées. De plus, nous avons observé que le lysat vacuolaire n'est pas détérioré par les étapes de reconstitution dans les liposomes et conserve l'activité de synthèse des iPOP. Les prochaines étapes consisteront en la purification du complexe intact et de la détermination de sa structure par cryo-microscopie électronique.

Characterization of a new potential virulence factor of Microsporum canis, the secreted subtilisin Sub6

Background: Microsporum canis is a dermatophyte responsible for cutaneous superficial mycoses in domestic carnivores and humans. The pathogenesis of dermatophytoses, including M. canis infections, remains poorly understood. Secreted proteases including members of the subtilisin family are thought to be involved in the infection process. In particular the subtilisin Sub6 could represent a major virulence factor.Objective: The aim of this work was to (i) isolate the M. canis SUB6 genomic DNA and cDNA (ii) produce Sub6 as a recombinant protease (rSub6) and (iii) produce a specific anti-Sub6 polyclonal serum. Material and methods: Genomic SUB6 was amplified by PCR using specific primers and M. canis IHEM 21239 DNA as a target. The SUB6 cDNA was obtained by reverse transcriptase (RT)-PCR using total RNA extracted from the same M. canis strain grown in liquid medium containing feline keratin as unique nitrogen source. Both SUB6 cDNA and genomic DNA were sequenced. The SUB6 cDNA was cloned in pPICZA to produce recombinant Sub6 (rSub6) in Pichia pastoris KM71. This protease rSub6 was produced in methanol medium at a yield of 30 mg ml)1 and purified by anion exchange chromatography using a DEAE-sepharose column. Polyclonal antibodies against purified rSub6 were produced in a rabbit using a standard immunization procedure with saponin as the adjuvant. Seventy days after the first immunization, serum was collected and IgG were purified by affinity chromatography.Results: The coding sequence for M. canis SUB6 from genomic DNA contains 1410 bp and 3 introns, while the cDNA contains a 1221 bp open reading frame. Deduced amino acid sequence analysis revealed that Sub6 is synthesized as a 406 amino acids preproprotein. The predicted catalytic domain has 286 amino acids, a molecular mass of 29.1 kDa and five potential N-glycosylation sites. SDS-PAGE of rSub6 revealed a single polypeptide chain with an apparent molecular mass of 37 kDa. Purified rabbit IgG were shown to be specific for Sub6 using ELISA.Conclusion: We have characterized for the first time Sub6 from a dermatophyte species as a recombinant secreted active enzyme and purified it until homogeneity. Active rSub6 and Sub6 specific antiserum will be used to further study the role of M. canis Sub6 protease in pathogenesis, notably the pattern of in vivo Sub6 secretion in different host species.

Characterization and functional identification of a novel plant extradiol 4,5-dioxygenase involved in betalain pigment biosynthesis in Portulaca Grandiflora

RESUME Les bétalaïnes sont des pigments chromo-alcaloïdes violets et jaunes présents dans les plantes appartenant à l'ordre des Caryophyllales et dans les champignons des genres Amanita et Hygrocybe. Leur courte voie de biosynthèse est élucidée chimiquement depuis de nombreuses années, mais les enzymes impliquées dans cette biosynthèse chez les plantes ne sont toujours pas caractérisées. L'enzyme de la DOPA-dioxygénase d' Amanita muscaria a été identifiée (Girod et Zryd, 1991a), mais de nombreuses tentatives d'isolation d'un homologue chez les plantes ont échoué. Afin d'isoler les gènes spécifiques des bétalaïnes chez les plantes, nous avons construit des banques soustraites d'ADNc à partir d'ARN total de pétales immatures de Portulaca grandiflora (Pg) de génotypes jaunes et blancs, respectivement violets et blancs. Les clones couleur- spécifiques ont été détectés en premier par analyse Northem du RNA de pétales blancs et colorés. Les candidats positifs ont alors été soumis à une analyse de transcription au niveau des tiges colorées, vertes et des feuilles, afin d'établir leur expression spécifique. Deux ARNs messagers complets ont une expression corrélée avec l'accumulation des bétalaïnes dans les tissus. Le premier de ces clones, A.16, code pour une oxydase de l'acyl-Coenzyme A (ACX) putative, mais le domaine de liaison du FAD essentiel pour l'activité d'ACX est absent. Toutes nos tentatives pour démontrer sa fonction ont échoué. Le rôle de cette protéine dans la voie de synthèse des bétalaïnes reste inconnu. Le deuxième de ces clones spécifique aux bétalaïnes, L.6 (isolé par Zaiko, 2000), a été renommé DODA en raison de son homologie avec le domaine LigB (pfam02900) d'une 4,5-dioxygénase extradiol bactérienne. DODA a été identifié in silico comme une dioxygénase extradiol en raison de la conservation stricte, au niveau de sa séquence peptidique, des résidus catalytiques de LigB et de ceux liant le cofacteur fer. Une analyse de transfert Southem a montré que ce gène est unique dans Pg. L'expression transitoire de DODA par transformation biolistique dans des pétales blancs de Pg a produit des taches violettes ou jaunes dans des cellules transformées. Une analyse HPLC de ces taches a démontré leur identité avec les bétalaïnes présentes naturellement dans les pétales violets et jaunes de Pg, confirmant ainsi la complémentation par le gène Pg DODA de l'allèle récessif cc présent dans les pétales blancs de Pg. Des homologues de DODA (DOPA-dioxygénase) ont été identifiés dans de nombreuses espèces de plantes, y compris dans celles sans bétalaïne. L'alignement de ces homologues a permis l'identification d'un motif spécifique aux bétalaïnes à côté d'une histidine catalytique conservée. Ce motif [H-P-(S,A)-(N,D)-x-T-P] remplace le motif [H-N-L-R] conservé dans les plantes sans bétalaïne et le motif [H-N-L-x] présent dans tous les homologues bactériens et archaebactériens. Une modélisation tridimensionnelle préliminaire du site actif de Pg DODA et de son homologue dans la mousse Physcomitrella patens a montré l'importance de ce motif spécifique aux bétalaïnes pour l'accessibilité du substrat au site actif. L'analyse phylogénétique de DODA a confirmé l'évolution séparée de cette protéine chez les plantes à bétalaïnes par comparaison avec celle des plantes sans bétalaïne. Nous avons donc conclu que les bétalaïnes sont apparues par modification de l'affinité pour un substrat d'enzymes similaires à DODA, chez un ancêtre unique des Caryophyllales qui a perdu toute capacité de biosynthèse des anthocyanes. Finalement, Pg DODA n'a aucune similarité avec la protéine DODA d' Amanita muscaria, bien que celle-ci complémente aussi la pigmentation des pétales blancs de Pg. La biosynthèse des bétalaïnes est un exemple remarquable de convergence évolutive biochimique indépendante entre espèces de règnes différents. ABSTRACT Betalains are violet and yellow chromo-alkaloid pigments present in plants belonging to the order Caryophyllales and also in the fungal genera Amanita and Hygrocybe. Their short biosynthetic pathway is chemically well understood since many years, but enzymes involved in the plant pathway are still uncharacterized. The DOPA-dioxygenase from Amanita muscaria was identified (Girod and Zryd, 1991a), but numerous attempts to identify a plant homologue to the corresponding gene, failed. In order to isolate betalain-specific genes in plants, subtractive cDNA libraries were built with total RNA from white and yellow and respectively, violet immature petals from Portulaca grandiflora (Pg) genotypes. Colour-specific clones were first detected by Northern blot analysis using RNA from white and coloured petals. Positive candidates were submitted to further transcription analysis in coloured, green stems and leaves in order to assess their specific expression. Two full-length mRNAs showed a correlated expression with betalain accumulation in tissues. One of them, A.16, encodes a putative acyl-Coenzyme A oxidase (ACX), but missing the FAD binding domain essential for the ACX activity. Thus, all attempts to demonstrate its function failed. The role of this protein in the betalain biosynthesis pathway, if any, is still unknown. The second betalain-specific mRNA, L.6 (isolated by Zaiko, 2000) shows a homology with a LigB domain (pfam02900) from a bacterial extradiol 4,5-dioxygenase. It was then renamed DODA (DOPA-dioxygenase). DODA was identified in silico as a highly conserved extradiol dioxygenase due to the strict conservation of its peptidic sequence with LigB catalytic residues and iron-binding cofactor residues. Southern blot analysis showed that this gene is a single copy-gene in Pg. Transient expression of DODA protein through biolistic transformation of Pg white petals produced violet or yellow spots in individual cells. HPLC analysis of these spots showed an identity with betalain pigments present naturally in yellow and violet Pg petals, thus confirming the complementation of the recessive cc allele present in Pg white petals by Pg DODA gene. DODA homologues were identified in numerous plant species including those without betalain. Alignment of these homologues allowed the identification of a betalain-specific pattern beside a highly conserved catalytic histidine. This [H-P-(S,A)-(N,D)-x-T-P] pattern replaces a [H-N-L-R] pattern strictly conserved in non-betalain plants and a [H-N-L-x] pattern present in all bacterial and archaebacterial homologues. Preliminary three-dimensional modeling of the active site of Pg DODA and its Physcomitrella patens moss homologue revealed the importance of this betalain-specific pattern for the substrate accessibility to the DODA active site. DODA phylogenetic analysis confirmed the separate evolution of this protein in betalain-producing plants. We conclude that betalain pigments appeared in a unique ancestor of the Caryophyllales order in which anthocyanin biosynthetic pathway was impaired, by a modification of enzymes of the DODA family for substrate affinity. The Pg DODA protein has no sequence similarity with Amanita muscaria DODA, despite the fact that they both complement Pg white petals for their pigmentation. Betalain biosynthesis is an interesting example of independent biochemical evolutionary convergence between species from different kingdoms.