HCF-1 is cleaved in the active site of O-GlcNAc transferase.

Host cell factor-1 (HCF-1), a transcriptional co-regulator of human cell-cycle progression, undergoes proteolytic maturation in which any of six repeated sequences is cleaved by the nutrient-responsive glycosyltransferase, O-linked N-acetylglucosamine (O-GlcNAc) transferase (OGT). We report that the tetratricopeptide-repeat domain of O-GlcNAc transferase binds the carboxyl-terminal portion of an HCF-1 proteolytic repeat such that the cleavage region lies in the glycosyltransferase active site above uridine diphosphate-GlcNAc. The conformation is similar to that of a glycosylation-competent peptide substrate. Cleavage occurs between cysteine and glutamate residues and results in a pyroglutamate product. Conversion of the cleavage site glutamate into serine converts an HCF-1 proteolytic repeat into a glycosylation substrate. Thus, protein glycosylation and HCF-1 cleavage occur in the same active site.

The design and characterization of receptor-selective APRIL variants.

A proliferation-inducing ligand (APRIL), a member of the TNF ligand superfamily with an important role in humoral immunity, is also implicated in several cancers as a prosurvival factor. APRIL binds two different TNF receptors, B cell maturation antigen (BCMA) and transmembrane activator and cylclophilin ligand interactor (TACI), and also interacts independently with heparan sulfate proteoglycans. Because APRIL shares binding of the TNF receptors with B cell activation factor, separating the precise signaling pathways activated by either ligand in a given context has proven quite difficult. In this study, we have used the protein design algorithm FoldX to successfully generate a BCMA-specific variant of APRIL, APRIL-R206E, and two TACI-selective variants, D132F and D132Y. These APRIL variants show selective activity toward their receptors in several in vitro assays. Moreover, we have used these ligands to show that BCMA and TACI have a distinct role in APRIL-induced B cell stimulation. We conclude that these ligands are useful tools for studying APRIL biology in the context of individual receptor activation.

Origin of the spectral shifts among the early intermediates of the rhodopsin photocycle.

A combined strategy based on the computation of absorption energies, using the ZINDO/S semiempirical method, for a statistically relevant number of thermally sampled configurations extracted from QM/MM trajectories is used to establish a one-to-one correspondence between the structures of the different early intermediates (dark, batho, BSI, lumi) involved in the initial steps of the rhodopsin photoactivation mechanism and their optical spectra. A systematic analysis of the results based on a correlation-based feature selection algorithm shows that the origin of the color shifts among these intermediates can be mainly ascribed to alterations in intrinsic properties of the chromophore structure, which are tuned by several residues located in the protein binding pocket. In addition to the expected electrostatic and dipolar effects caused by the charged residues (Glu113, Glu181) and to strong hydrogen bonding with Glu113, other interactions such as π-stacking with Ala117 and Thr118 backbone atoms, van der Waals contacts with Gly114 and Ala292, and CH/π weak interactions with Tyr268, Ala117, Thr118, and Ser186 side chains are found to make non-negligible contributions to the modulation of the color tuning among the different rhodopsin photointermediates.

Distribution profile of zwitterions and hydrolysis of esters derived from N-benzylpiperazine

Résumé Les esters sont des agents thérapeutiques largement utilisés comme médicaments et prodrogues. Leurs dégradation est chimique et enzymatique. Le Chapitre IV de cette thèse a comme objet l'hydrolyse chimique de plusieurs dérivés esters du 2,3-dimethoxyphenol. Des composés modèles ont été synthétisés dans le but de déterminer leur mécanismes de dégradation. Les profils d'ionisation et d'hydrolyse de ces composés ont permis d'identifier la présence d'une catalyse intramoléculaire basique par un atome d'azote non-protoné. Les effets électroniques exercés par les groupes phenylethenyle et phenylcyclopropyle influencent également la vitesse d'hydrolyse des esters. La résolution des problèmes liés à l'adsorption et la perméation est devenue à nos jours l'étape limitante dans la conception de nouveaux médicaments car de trop nombreux candidats prometteurs ont échoué à cause d'une mauvaise biodisponibilité. La lipophilie décrit le partage d'un médicament entre une membrane lipidique et son environnement physiologique aqueux, et de ce fait elle influence sa pharmacocinétique. Des études récents ont mis en évidence l'importance de la détermination de la lipophilie des espèces ionisées vu leur considérable impact biologique. Le Chapitre V de cette thèse est centré sur une classe particulière de composés ionisables, les zwitterions. Plusieurs methoxybenzylpiperazines de nature zwitterionique ont été étudiées. Leurs profils d'ionisation ont montré que dans un large intervalle de pH, l'espèce prédominante est le zwitterion. Les profils de lipophilie ont montré que leur lipophilie est plus élevée que celles des zwitterions courants. Une interaction électrostatique entre l'oxygène du carboxylate et l'azote protoné est responsable de ce profil et rend la plupart des zwitterions non-donneurs de liaison hydrogène. Ces deux aspects peuvent favoriser le passage de la barrière hémato-éncephalique. Les données biologiques ont par la suite confirmé cette hypothèse pour un certain nombre de composés. Résumé large public Les esters sont des composés souvent rencontrés en chimie thérapeutique. Ils sont dégradés en milieu aqueux par une réaction d'hydrolyse, avec ou sans la participation d'enzymes. Dans ce travail de thèse, une série d'esters ont été étudiés dans le but d'établir une relation entre leur structure et les mécanismes responsables de leur dégradation chimique. Il a été prouvé que la dégradation est accélérée par un atome d'azote non-protoné. D'autres mécanismes peuvent intervenir en fonction du pH du milieu. La présence d'une liaison simple ou double ou d'un groupe phenylcyclopropyle peut également influencer la vitesse de dégradation. Il est essentiel, dans la conception de nouveaux médicaments, d'optimiser les étapes qui influencent leur distribution dans le corps. Ce dernier peut être visualisé comme une série infinie de compartiments aqueux séparés par des membranes lipidiques. La lipophilie est une propriété moléculaire importante qui décrit le passage des barrières rencontrées par les médicaments. Des études récentes ont mis en évidence l'importance de déterminer la lipophilie des espèces ionisées vu leur considérable impact biologique. Dans ce travail de thèse a été étudiée une série particulière de composés ionisables , les zwitterions. Une relation a été établie entre leur structure et leur proprietés physico-chimiques. Une lipophilie plus élevée par rapport à celle des zwitterions courants a été trouvée. Une interaction entre les groupes chargés des zwitterions étudiés est responsable de ce comportement inattendu et rend la plupart d'entre eux non-donneurs de liaison hydrogène. Ces deux facteurs peuvent favoriser la pénétration cérébrale. Les données biologiques ont confirmé cette hypothèse pour un certain nombre de composés. Summary Esters are often encountered in medicinal chemistry. Their hydrolysis may be chemical as well as enzymatic. Chapter IV of this manuscript provides a mechanistic insight into the chemical hydrolysis of a particular series of basic esters derived from 2,3-dimethoxyphenol. Their ionization and pH-rate profiles allowed to identify the presence of an intramolecular base catalysis by a non-protonated nitrogen atom. Electronic effects exerted by the phenylethenyl and phenylcyclopropyl groups that are present in the structure of the esters also influenced their rate of hydrolysis. Numerous works in the literature witness of the importance of lipophilicity in determining the fate of a drug. Most published partition coefficients are those of neutral species. In contrast, no exhaustive treatment of the lipophilicity of charged molecules is available at present, and a lack of information characterizes in particular zwitterions. Chapter V of this manuscript provides an insight into the physicochemical parameters of a series of zwitterionic methoxybenzylpiperazines. Their ionization profiles showed that they exist predominantly in the zwitterionic form in a broad pH-range. An electrostatic interaction between the oxygen of the carboxylate and the protonated nitrogen atom is increases the lipophilicity of the investigated zwitterions, and prevents the majority of them to express their hydrogen-bonding capacity. These two aspects may favor the crossing of the blood-brain barrier. The available ratios PSt/PSf measured in vitro have confirmed this point for a number of compounds.

Modeling of the TCR-MHC-peptide complex.

The methodology for generating a homology model of the T1 TCR-PbCS-K(d) class I major histocompatibility complex (MHC) class I complex is presented. The resulting model provides a qualitative explanation of the effect of over 50 different mutations in the region of the complementarity determining region (CDR) loops of the T cell receptor (TCR), the peptide and the MHC's alpha(1)/alpha(2) helices. The peptide is modified by an azido benzoic acid photoreactive group, which is part of the epitope recognized by the TCR. The construction of the model makes use of closely related homologs (the A6 TCR-Tax-HLA A2 complex, the 2C TCR, the 14.3.d TCR Vbeta chain, the 1934.4 TCR Valpha chain, and the H-2 K(b)-ovalbumine peptide), ab initio sampling of CDR loops conformations and experimental data to select from the set of possibilities. The model shows a complex arrangement of the CDR3alpha, CDR1beta, CDR2beta and CDR3beta loops that leads to the highly specific recognition of the photoreactive group. The protocol can be applied systematically to a series of related sequences, permitting the analysis at the structural level of the large TCR repertoire specific for a given peptide-MHC complex.

Etude de l'activation et de l'inactivation pH-dépendantes des canaux ASICs (Acide-Sensing Ion Channels)

RESUME: Etude de l'activation et de l'inactivation pH-dépendantes des canaux ASICs (Acid-Sensing Ion Channels) Benoîte BARGETON, Département de Pharmacologie et de Toxicologie, Université de Lausanne, rue du Bugnon 27, CH-1005 Lausanne, Suisse Les canaux sodiques ASICs (Acid-Sensing Ion Channels) participent à la signalisation neuronale dans les systèmes nerveux périphérique et central. Ces canaux non voltage dépendants sont impliqués dans l'apprentissage, l'expression de la peur, la neurodégénération consécutive à une attaque cérébrale et la douleur. Les bases moléculaires sous-tendant leur activité ne sont pas encore totalement comprises. Ces canaux sont activés par une acidification du milieu extracellulaire et régulés, entre autres, par des ions tels que le Ca2+, le Zn2+ et le CI". La cristallisation de ASIC inactivé a été publiée. Le canal est un trimére de sous-unités identiques ou homologues. Chaque sous-unité a été décrite en analogie à un avant bras, un poignet et une main constituée d'un pouce, d'un doigt, d'une articulation, une boule β et une paume. Nous avons appliqué une approche bioinformatique systématique pour identifier les pH senseurs putatifs de ASICIa. Le rôle des pH senseurs putatifs a été testé par mutagénèse dirigée et des modifications chimiques combinées à une analyse fonctionnelle afin de comprendre comment les variations de ρ H ouvrent ces canaux. Les pH senseurs sont des acides aspartiques et glutamiques éparpillés sur la boucle extracellulaire suggérant que les changements de pH contrôlent l'activation et l'inactivation de ASIC en (dé)protonant ces résidus en divers endroits de la protéine. Par exemple lors de l'activation, la protonation des résidus à l'interface entre le pouce, la boule β et le doigt d'une même sous-unité induit un mouvement du pouce vers la bouie β et le doigt. De même lors de l'inactivation du canal les paumes des trois sous-unités formant une cavité se rapprochent. D'après notre approche bioinformatique, aucune histidine n'est impliquée dans la détection des variations de pH extracellulaire c'est-à-dire qu'aucune histidine ne serait un pH-senseur. Deux histidines de ASIC2a lient le Zn2+ et modifient l'affinité apparente du canal pour les protons. Une seule des deux est conservée parmi tous les ASICs, hASICIa H163. Elle forme un réseau de liaison hydrogène avec ses voisins conservés. L'étude détaillée de ce domaine, Pinterzone, montre son importance dans l'expression fonctionnelle des canaux. La perturbation de ce réseau par l'introduction d'un résidu hydrophobe (cystéine) par mutagénèse dirigée diminue l'expression du canal à la membrane plasmique. La modification des cystéines introduites par des réactifs spécifiques aux groupements sulfhydryle inhibe les canaux mutés en diminuant leur probabilité d'ouverture. Ces travaux décrivent les effets de l'acidification du milieu extracellulaire sur les canaux ASICs. ABSTRACT: Study of pH-dependent activation and inactivation of ASIC channels Benoîte BARGETON, Department of Pharmacology and Toxicology, University of Lausanne, Rue du Bugnon 27, CH-1G05 Lausanne, Switzerland The ASIC (Acid-Sensing Ion Channels) sodium channels are involved in neuronal signaling in the central and peripheral nervous system. These non-voltage-gated channels are involved in learning, the expression of fear, neurodegeneration after ischemia and pain sensation. The molecular bases underlying their activity are not yet fully understood. ASICs are activated by extracellular acidification and regulated, eg by ions such as Ca2+, the Zn2+ and CI". The crystallization of inactivated ASIC has been published. The channel is a trimer of identical or homologous subunits. Each subunit has been described in analogy to a forearm, wrist and hand consisting of a thumb, a finger, a knuckle, a β-ball and a palm. We applied a systematic computational approach to identify putative pH sensor(s) of ASICIa. The role of putative pH sensors has been tested by site-directed mutagenesis and chemical modification combined with functional analysis in order to understand how changes in pH open these channels. The pH sensors are aspartic and glutamic acids distributed throughout the extracellular loop, suggesting that changes in pH control activation and inactivation of ASIC by protonation / deprotonation of many residues in different parts of the protein. During activation the protonation of various residues at the interface between the finger, the thumb and the β-ball induces the movement of the thumb toward the finger and the β-ball. During inactivation of the channel the palms of the three subunits forming a cavity approach each other. No histidine has been shown to be involved in extracellular pH changes detection, i.e. no histidine is a pH- sensor. Two histidines of ASIC2 bind Zn2+ and alter the apparent affinity of channel for protons. Only one of the two His is conserved among all ASICs, hASICIa H163. This residue is part of a network of hydrogen bonding with its conserved neighbors. The detailed study of this area, the interzone, shows its importance in the functional expression of ASICs. Disturbance of this network by the introduction of hydrophobic residues decreases the cell surface channel expression. Chemical modification of the introduced cysteines by thiol reactive compounds inhibits the mutated channels by a reduction of their open probability. These studies describe the effects of extracellular acidification on ASICs. RESUME GRAND PUBLIC: Etude de l'activation et de l'inactivation pH-dépendantes des canaux ASICs (Acid-Sensing Ion Channels) Benoîte BARGETON, Département de Pharmacologie et de Toxicologie, Université de Lausanne, rue du Bugnon 27, CH-1005 Lausanne, Suisse La transmission synaptique est un processus chimique entre deux neurones impliquant des neurotransmetteurs et leurs récepteurs. Un dysfonctionnement de certains types de synapses est à l'origine de beaucoup de troubles nerveux, tels que certaine forme d'épilepsie et de l'attention. Les récepteurs des neurotransmetteurs sont de très bonnes cibles thérapeutiques dans de nombreuses neuropathologies. Les canaux ASICs sont impliqués dans la neurodégénération consécutive à une attaque cérébrale et les bloquer pourraient permettre aux patients d'avoir moins de séquelles. Les canaux ASICs sont des détecteurs de l'acidité qui apparaît lors de situations pathologiques comme l'ischémie et l'inflammation. Ces canaux sont également impliqués dans des douleurs. Cibler spécifiquement ces canaux permettrait d'avoir de nouveaux outils thérapeutiques car à l'heure actuelle l'inhibiteur de choix, l'amiloride, bloque beaucoup d'autres canaux empêchant son utilisation pour bloquer les ASICs. C'est pourquoi il faut connaître et comprendre les bases moléculaires du fonctionnement de ces récepteurs. Les ASICs formés de trois sous-unités détectent les variations de l'acidité puis s'ouvrent transitoirement pour laisser entrer des ions chargés positivement dans la cellule ce qui active la signalisation neuronale. Afin de comprendre les bases moléculaires de l'activité des ASICs nous avons déterminé les sites de liaison des protons (pH-senseurs), ligands naturels des ASICs et décrit une zone importante pour l'expression fonctionnelle de ces canaux. Grâce à une validation systématique de résultats obtenus en collaboration avec l'Institut Suisse de Bioinformatique, nous avons décrit les pH-senseurs de ASICIa. Ces résultats, combinés à ceux d'autres groupes de recherche, nous ont permis de mieux comprendre comment les ASICs sont ouverts par une acidification du milieu extracellulaire. Une seconde étude souligne le rôle structural crucial d'une région conservée parmi tous les canaux ASICs : y toucher c'est diminuer l'activité de la protéine. Ce domaine permet l'harmonisation des changements dus à l'acidification du milieu extracellulaire au sein d'une même sous-unité c'est-à-dire qu'elle participe à l'induction de l'inactivation due à l'activation du canal Cette étude décrit donc quelle région de la protéine atteindre pour la bloquer efficacement en faisant une cible thérapeutique de choix.

Pi*-pi* bonding interactions generated by halogen oxidation of zirconium(IV) redox-active ligand complexes.

The new complex, [Zr(pda)2]n (1, pda2- = N,N'-bis(neo-pentyl)-ortho-phenylenediamide, n = 1 or 2), prepared by the reaction of 2 equiv of pdaLi2 with ZrCl4, reacts rapidly with halogen oxidants to afford the new product ZrX2(disq)2 (3, X = Cl, Br, I; disq- = N,N'-bis(neo-pentyl)-ortho-diiminosemiquinonate) in which each redox-active ligand has been oxidized by one electron. The oxidation products 3a-c have been structurally characterized and display an unusual parallel stacked arrangement of the disq- ligands in the solid state, with a separation of approximately 3 A. Density functional calculations show a bonding-type interaction between the SOMOs of the disq- ligands to form a unique HOMO while the antibonding linear combination forms a unique LUMO. This orbital configuration leads to a closed-shell-singlet ground-state electron configuration (S = 0). Temperature-dependent magnetism measurements indicate a low-lying triplet excited state at approximately 750 cm-1. In solution, 3a-c show strong disq--based absorption bands that are invariant across the halide series. Taken together these spectroscopic measurements provide experimental values for the one- and two-electron energies that characterize the pi-stacked bonding interaction between the two disq- ligands.

Structure-function relationships of the alpha1b-adrenergic receptor.

The alpha1b-adrenergic receptor (AR) is a member of the large superfamily of seven transmembrane domain (TMD) G protein-coupled receptors (GPCR). Combining site-directed mutagenesis of the alpha1b-AR with computational simulations of receptor dynamics, we have explored the conformational changes underlying the process of receptor activation, i.e. the transition between the inactive and active states. Our findings suggest that the structural constraint stabilizing the alpha1b-AR in the inactive form is a network of H-bonding interactions amongst conserved residues forming a polar pocket and R143 of the DRY sequence at the end of TMDIII. We have recently reported that point mutations of D142, of the DRY sequence and of A293 in the distal portion of the third intracellular loop resulted in ligand-independent (constitutive) activation of the alpha1b-AR. These constitutively activating mutations could induce perturbations resulting in the shift of R143 out of the polar pocket. The main role of R143 may be to mediate receptor activation by triggering the exposure of several basic amino acids of the intracellular loops towards the G protein. Our investigation has been extended also to the biochemical events involved in the desensitization process of alpha1b-AR. Our results indicate that immediately following agonist-induced activation, the alpha1b-AR can undergo rapid agonist-induced phosphorylation and desensitization. Different members of the G protein coupled receptor kinase family can play a role in agonist-induced regulation of the alpha1b-AR. In addition, constitutively active alpha1b-AR mutants display different phosphorylation and internalization features. The future goal is to further elucidate the molecular mechanism underlying the complex equilibrium between activation and inactivation of the alpha1b-AR and its regulation by pharmacological substances. These findings can help to elucidate the mechanism of action of various agents displaying properties of agonists or inverse agonists at the adrenergic system.

Cysteine 230 is essential for the structure and activity of the cytotoxic ligand TRAIL.

Unlike other tumor necrosis factor family members, the cytotoxic ligand tumor necrosis factor-related apoptosis-inducing ligand (TRAIL)/Apo-2L contains an unpaired cysteine residue (Cys(230)) in its receptor-binding domain. Here we show that the biological activity of both soluble recombinant TRAIL and cell-associated, full-length TRAIL is critically dependent on the presence of Cys(230). Mutation of Cys(230) to alanine or serine strongly affected its ability to kill target cells. Binding to its receptors was decreased by at least 200-fold, and the stability of its trimeric structure was reduced. In recombinant TRAIL, Cys(230) was found engaged either in interchain disulfide bridge formation, resulting in poorly active TRAIL, or in the chelation of one zinc atom per TRAIL trimer in the active, pro-apoptotic form of TRAIL.

Functional analysis of the post-transcriptional regulator RsmA reveals a novel RNA-binding site.

The RsmA family of RNA-binding proteins are global post-transcriptional regulators that mediate extensive changes in gene expression in bacteria. They bind to, and affect the translation rate of target mRNAs, a function that is further modulated by one or more, small, untranslated competitive regulatory RNAs. To gain new insights into the nature of this protein/RNA interaction, we used X-ray crystallography to solve the structure of the Yersinia enterocolitica RsmA homologue. RsmA consists of a dimeric beta barrel from which two alpha helices are projected. From structure-based alignments of the RsmA protein family from diverse bacteria, we identified key amino acid residues likely to be involved in RNA-binding. Site-specific mutagenesis revealed that arginine at position 44, located at the N terminus of the alpha helix is essential for biological activity in vivo and RNA-binding in vitro. Mutation of this site affects swarming motility, exoenzyme and secondary metabolite production in the human pathogen Pseudomonas aeruginosa, carbon metabolism in Escherichia coli, and hydrogen cyanide production in the plant beneficial strain Pseudomonas fluorescens CHA0. R44A mutants are also unable to interact with the small untranslated RNA, RsmZ. Thus, although possessing a motif similar to the KH domain of some eukaryotic RNA-binding proteins, RsmA differs substantially and incorporates a novel class of RNA-binding site.

Bonding and Bridging Social Capital in Step- and First-Time Families and the Issue of Family Boundaries

Divorce and remarriage usually imply a redefinition of family boundaries, with consequences for the production and availability of social capital. This research shows that bonding and bridging social capitals are differentially made available by families. It first hypothesizes that bridging social capital is more likely to be developed in stepfamilies, and bonding social capital in first-time families. Second, the boundaries of family configurations are expected to vary within stepfamilies and within first-time families creating a diversity of family configurations within both structures. Third, in both cases, social capital is expected to depend on the ways in which their family boundaries are set up by individuals by including or excluding ex-partners, new partner's children, siblings, and other family ties. The study is based on a sample of 300 female respondents who have at least one child of their own between 5 and 13 years, 150 from a stepfamily structure and 150 from a first-time family structure. Social capital is empirically operationalized as perceived emotional support in family networks. The results show that individuals in first-time families more often develop bonding social capital and individuals in stepfamilies bridging social capital. In both cases, however, individuals in family configurations based on close blood and conjugal ties more frequently develop bonding social capital, whereas individuals in family configurations based on in-law, stepfamily or friendship ties are more likely to develop bridging social capital.

HCF-1 self-association via an interdigitated Fn3 structure facilitates transcriptional regulatory complex formation.

Host-cell factor 1 (HCF-1) is an unusual transcriptional regulator that undergoes a process of proteolytic maturation to generate N- (HCF-1(N)) and C- (HCF-1(C)) terminal subunits noncovalently associated via self-association sequence elements. Here, we present the crystal structure of the self-association sequence 1 (SAS1) including the adjacent C-terminal HCF-1 nuclear localization signal (NLS). SAS1 elements from each of the HCF-1(N) and HCF-1(C) subunits form an interdigitated fibronectin type 3 (Fn3) tandem repeat structure. We show that the C-terminal NLS recruited by the interdigitated SAS1 structure is required for effective formation of a transcriptional regulatory complex: the herpes simplex virus VP16-induced complex. Thus, HCF-1(N)-HCF-1(C) association via an integrated Fn3 structure permits an NLS to facilitate formation of a transcriptional regulatory complex.

Use of an in-house approach to study the three-dimensional structures of various outer membrane proteins: structure of the alcaligin outer membrane transporter FauA from Bordetella pertussis.

Bordetella pertussis is the bacterial agent of whooping cough in humans. Under iron-limiting conditions, it produces the siderophore alcaligin. Released to the extracellular environment, alcaligin chelates iron, which is then taken up as a ferric alcaligin complex via the FauA outer membrane transporter. FauA belongs to a family of TonB-dependent outer membrane transporters that function using energy derived from the proton motive force. Using an in-house protocol for membrane-protein expression, purification and crystallization, FauA was crystallized in its apo form together with three other TonB-dependent transporters from different organisms. Here, the protocol used to study FauA is described and its three-dimensional structure determined at 2.3 A resolution is discussed.

Crystal structure of NLRC4 reveals its autoinhibition mechanism.

Nucleotide-binding and oligomerization domain-like receptor (NLR) proteins oligomerize into multiprotein complexes termed inflammasomes when activated. Their autoinhibition mechanism remains poorly defined. Here, we report the crystal structure of mouse NLRC4 in a closed form. The adenosine diphosphate-mediated interaction between the central nucleotide-binding domain (NBD) and the winged-helix domain (WHD) was critical for stabilizing the closed conformation of NLRC4. The helical domain HD2 repressively contacted a conserved and functionally important α-helix of the NBD. The C-terminal leucine-rich repeat (LRR) domain is positioned to sterically occlude one side of the NBD domain and consequently sequester NLRC4 in a monomeric state. Disruption of ADP-mediated NBD-WHD or NBD-HD2/NBD-LRR interactions resulted in constitutive activation of NLRC4. Together, our data reveal the NBD-organized cooperative autoinhibition mechanism of NLRC4 and provide insight into its activation.

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.