The poly dA helix: a new structural motif for high performance DNA-based molecular switches

We report a pH-dependent conformational transition in short, defined homopolymeric deoxyadenosines (dA(15)) from a single helical structure with stacked nucleobases at neutral pH to a double-helical, parallel-stranded duplex held together by AH-HA base pairs at acidic pH. Using native PAGE, 2D NMR, circular dichroism (CD) and fluorescence spectroscopy, we have characterized the two different pH dependent forms of dA(15). The pH-triggered transition between the two defined helical forms of dA(15) is characterized by CD and fluorescence. The kinetics of this conformational switch is found to occur on a millisecond time scale. This robust, highly reversible, pH-induced transition between the two well-defined structured states of dA(15)represents a new molecular building block for the construction of quick-response, pH-switchable architectures in structural DNA nanotechnology.

Engineering precision RNA molecular switches

Ligand-specific molecular switches composed of RNA were created by coupling preexisting catalytic and receptor domains via structural bridges. Binding of ligand to the receptor triggers a conformational change within the bridge, and this structural reorganization dictates the activity of the adjoining ribozyme. The modular nature of these tripartite constructs makes possible the rapid construction of precision RNA molecular switches that trigger only in the presence of their corresponding ligand. By using similar enzyme engineering strategies, new RNA switches can be made to operate as designer molecular sensors or as a new class of genetic control elements.

Photochromic switches incorporated in bridging ligands: a new tool to modulate energy-transfer processes

The thoughtful construction of molecular switches has led to a gamut of supramolecular systems that can be used in molecular electronics. These include molecules based on thienylethenes, spiropyrans, fulgides, dithienylphenanthrolines, and diazafluorenes. This article reviews the recent developments made in the synthesis and characterization of all these systems, thereby allowing a comparative study to validate the viability of these switchable molecules on a nanoscale. Also, the drawbacks of each class are demonstrated and, at the same time, the remedies for further improvisation are prescribed. We have made an honest attempt to present at? exhaustive account of all the different photochromic switches developed by us hitherto.

Genetic, structural, and molecular insights into the function of ras of complex proteins domains

Ras of complex proteins (ROC) domains were identified in 2003 as GTP binding modules in large multidomain proteins from Dictyostelium discoideum. Research into the function of these domains exploded with their identification in a number of proteins linked to human disease, including leucine-rich repeat kinase 2 (LRRK2) and death-associated protein kinase 1 (DAPK1) in Parkinson’s disease and cancer, respectively. This surge in research has resulted in a growing body of data revealing the role that ROC domains play in regulating protein function and signaling pathways. In this review, recent advances in the structural informa- tion available for proteins containing ROC domains, along with insights into enzymatic function and the integration of ROC domains as molecular switches in a cellular and organismal context, are explored.

Ion-mediated conformational switches

Molecular switches are ubiquitous in Nature and provide the basis of many forms of transport and signalling. Single synthetic molecules that change conformation, and thus function, reversibly in a stimulus-dependent manner are of great interest not only to chemists but society in general; myriad applications exist in storage, display, sensing and medicine. Here we describe recent developments in the area of ion-mediated switching.

Rab8 and Rab8-interacting proteins as players in cell polarization

Rab8 and its interacting proteins as regulators of cell polarization During the development of a multi-cellular organism, progenitor cells have to divide and migrate appropriately as well as organize their differentiation with one another, in order to produce a viable embryo. To divide, differentiate and migrate cells have to undergo polarization, a process where internal and external components such as actin, microtubules and adhesion receptors are reorganized to produce a cell that is asymmetric, with functionally different surfaces. Also in the adult organism there is a continuous need for these processes, as cells need to migrate in response to tissue damage and to fight infection. Improper regulation of cell proliferation and migration can conversely lead to disease such as cancer. GTP-binding proteins function as molecular switches by cycling between a GTP-bound (active) conformation and a GDP-bound (inactive) conformation. The Ras super-family of small GTPases are found in all eukaryotic cells. They can be functionally divided into five subfamilies. The Ras family members mainly regulate gene expression, controlling cell proliferation and differentiation. Ras was in fact the first human oncogene to be characterized, and as much as 30% of all human tumors may be directly or indirectly caused by mutations of Ras molecules The Rho family members mainly regulate cytoskeletal reorganization. Arf proteins are known to regulate vesicle budding and Rab proteins regulate vesicular transport. Ran regulates nuclear transport as well as microtubule organization during mitosis. The focus of the thesis of Katarina Hattula, is on Rab8, a small GTPase of the Rab family. Activated Rab8 has previously been shown to induce the formation of new surface extensions, reorganizing both actin and microtubules, and to have a role in directed membrane transport to cell surfaces. However, the exact membrane route it regulates has remained elusive. In the thesis three novel interactors of Rab8 are presented. Rabin8 is a Rab8-specific GEF that localizes to vesicles where it presumably recruits and activates its target Rab8. Its expression in cells leads to remodelling of actin and the formation of polarized cell surface domains. Optineurin, known to be associated with a leading cause of blindness in humans (open-angle glaucoma), is shown to interact specifically with GTP-bound Rab8. Rab8 binds to an amino-terminal region and interestingly, the Huntingtin protein binds a carboxy-terminal region of optineurin. (Aberrant Huntingtin protein is known to be the cause Huntington s disease in humans.) Co-expression of Huntingtin and optineurin enhanced the recruitment of Huntingtin to Rab8-positive vesicular structures. Furthermore, optineurin promoted cell polarization in a similar way to Rab8. A third novel interactor of Rab8 presented in this thesis is JFC1, a member of the synaptogamin-like protein (Slp) family. JFC1 interacts with Rab8 specifically in its GTP-bound form, co-localizes with endogenous Rab8 on tubular and vesicular structures, and is probably involved in controlling Rab8 membrane dynamics. Rab8 is in this thesis work clearly shown to have a strong effect on cell shape. Blocking Rab8 activity by expression of Rab8 RNAi, or by expressing the dominant negative Rab8 (T22N) mutant leads to loss of cell polarity. Conversely, cells expressing the constitutively active Rab8 (Q67L) mutant exhibit a strongly polarized phenotype. Experiments in live cells show that Rab8 is associated with macropinosomes generated at ruffling areas of the membrane. These macropinosomes fuse with or transform into tubules that move toward the cell centre, from where they are recycled back to the leading edge to participate in protrusion formation. The biogenesis of these tubules is shown to be dependent on both actin and microtubule dynamics. The Rab8-specific membrane route studied contained several markers known to be internalized and recycled (1 integrin, transferrin, transferrin receptor, cholera toxin B subunit (CTxB), and major histocompatibility complex class I protein (MHCI)). Co-expression studies revealed that Rab8 localization overlaps with that of Rab11 and Arf6. Rab8 is furthermore clearly functionally linked to Arf6. The data presented in this thesis strongly suggests a role for Rab8 as a regulator for a recycling compartment, which is involved in providing structural and regulatory components to the leading edge to participate in protrusion formation.

Electrically-controlled near-infrared chiroptical switching of enantiomeric dinuclear ruthenium complexes

Enantiomerically pure dinuclear ruthenium complexes with 1,2-dicarbonylhydrazide as a bridging ligand are optically active in the visible and near infrared spectral regions depending on the oxidation states of the metal centers and are useful as an electrochemically driven near infrared chiroptical switch.

Two Arginine-Glutamate Ionic Locks Near the Extracellular Surface of FFAR1 Gate Receptor Activation

Activation of a number of class A G protein-coupled receptors (GPCRs) is thought to involve two molecular switches, a rotamer toggle switch within the transmembrane domain and an ionic lock at the cytoplasmic surface of the receptor; however, the mechanism by which agonist binding changes these molecular interactions is not understood. Importantly, 80% of GPCRs including free fatty acid receptor 1 (FFAR1) lack the complement of amino acid residues implicated in either or both of these two switches; the mechanism of activation of these GPCRs is therefore less clear. By homology modeling, we identified two Glu residues (Glu-145 and Glu-172) in the second extracellular loop of FFAR1 that form putative interactions individually with two transmembrane Arg residues (Arg-183(5.39) and Arg-258(7.35)) to create two ionic locks. Molecular dynamics simulations showed that binding of agonists to FFAR1 leads to breakage of these Glu-Arg interactions. In mutagenesis experiments, breakage of these two putative interactions by substituting Ala for Glu-145 and Glu-172 caused constitutive receptor activation. Our results therefore reveal a molecular switch for receptor activation present on the extracellular surface of FFAR1 that is broken by agonist binding. Similar ionic locks between the transmembrane domains and the extracellular loops may constitute a mechanism common to other class A GPCRs also.

Synthesis and SAR of centrally active mGlu(5) positive allosteric modulators based on an aryl acetylenic bicyclic lactam scaffold

This Letter describes the hit-to-lead progression and SAR of a series of biphenyl acetylene compounds derived from an HTS screening campaign targeting the mGlu(5) receptor. 'Molecular switches' were identified that modulated modes of pharmacology, and several compounds within this series were shown to be efficacious in reversal of amphetamine induced hyperlocomotion in rats after ip dosing, a preclinical model that shows similar positive effects with known antipsychotic agents. Published by Elsevier Ltd.

Étude de la relation entre les conformations et la signalisation des 7TMRs

L’interaction d’un ligand avec un récepteur à sept domaines transmembranaires (7TMR) couplé aux protéines G, mène à l’adoption de différentes conformations par le récepteur. Ces diverses conformations pourraient expliquer l’activation différentielle des voies de signalisation. Or, le lien entre la conformation et l’activité du récepteur n’est pas tout à fait claire. Selon les modèles classiques pharmacologiques, comme le modèle du complexe ternaire, il n’existe qu’un nombre limité de conformations qu’un récepteur peut adopter. Afin d’établir un lien entre la structure et la fonction des récepteurs, nous avons choisi dans un premier temps, le récepteur de chimiokine CXCR4 comme récepteur modèle. Ce dernier, est une cible thérapeutique prometteuse, impliqué dans l’entrée du VIH-1 dans les cellules cibles et dans la dissémination de métastases cancéreuses. Grâce au transfert d’énergie par résonance de bioluminescence (BRET) nous pouvons détecter les changements conformationnels des homodimères constitutifs de CXCR4 dans les cellules vivantes. En conséquence, nous avons mesuré les conformations de mutants de CXCR4 dont les mutations affecteraient sa fonction. Nous montrons que la capacité des mutants à activer la protéine Galphai est altérée suite au traitement avec l’agoniste SDF-1. Notamment, ces mutations altèrent la conformation du récepteur à l’état basal ainsi que la réponse conformationnelle induite suite au traitement avec l’agoniste SDF-1, l’agoniste partiel AMD3100 ou l’agoniste inverse TC14012. Ainsi, différentes conformations de CXCR4 peuvent donner lieu à une activation similaire de la protéine G, ce qui implique une flexibilité des récepteurs actifs qui ne peut pas être expliquée par le modèle du complexe ternaire (Berchiche et al. 2007). Également, nous nous sommes intéressés au récepteur de chimiokine CCR2, exprimé à la surface des cellules immunitaires. Il joue un rôle important dans l’inflammation et dans des pathologies inflammatoires telles que l’asthme. CCR2 forme des homodimères constitutifs et possède différents ligands naturels dont la redondance fonctionnelle a été suggérée. Nous avons étudié le lien entre les conformations et les activations d’effecteurs (fonctions) de CCR2. Notre hypothèse est que les différents ligands naturels induisent différentes conformations du récepteur menant à différentes fonctions. Nous montrons que les réponses de CCR2 aux différents ligands ne sont pas redondantes au niveau pharmacologique et que les chimiokines CCL8, CCL7 et CCL13 (MCP-2 à MCP-4) sont des agonistes partiels de CCR2, du moins dans les systèmes que nous avons étudiés. Ainsi, l’absence de redondance fonctionnelle parmi les chimiokines liant le même récepteur, ne résulterait pas de mécanismes complexes de régulation in vivo, mais ferait partie de leurs propriétés pharmacologiques intrinsèques (Berchiche et al. 2011). Enfin, nous nous sommes intéressés au récepteur de chimiokine CXCR7. Récemment identifié, CXCR7 est le deuxième récepteur cible de la chimiokine SDF-1. Cette chimiokine a été considérée comme étant capable d’interagir uniquement avec le récepteur CXCR4. Notamment, CXCR4 et CXCR7 possèdent un patron d’expression semblable dans les tissus. Nous avons évalué l’effet de l’AMD3100, ligand synthétique de CXCR4, sur la conformation et la signalisation de CXCR7. Nos résultats montrent qu’AMD3100, tout comme SDF-1, lie CXCR7 et augmente la liaison de SDF-1 à CXCR7. Grâce au BRET, nous montrons aussi qu’AMD3100 seul est un agoniste de CXCR7 et qu’il est un modulateur allostérique positif de la liaison de SDF-1 à CXCR7. Aussi, nous montrons pour la première fois le recrutement de la beta-arrestine 2 à CXCR7 en réponse à un agoniste. L’AMD3100 est un ligand de CXCR4 et de CXCR7 avec des effets opposés, ce qui appelle à la prudence lors de l’utilisation de cette molécule pour l’étude des voies de signalisation impliquant SDF-1 (Kalatskaya et al. 2009). En conclusion, nos travaux amènent des évidences qu’il existe plusieurs conformations actives des récepteurs et appuient les modèles de structure-activité des récepteurs qui prennent en considération leur flexibilité conformationnelle.

Études génétiques moléculaires des gènes de la polarité planaire cellulaire dans les anomalies du tube neural chez l’Homme

Les anomalies du tube neural (ATN) sont des malformations congénitales parmi les plus fréquentes chez l’humain en touchant 1-2 nouveau-nés par 1000 naissances. Elles résultent d’un défaut de fermeture du tube neural pendant l’embryogenèse. Les formes les plus courantes d'ATN chez l'homme sont l'anencéphalie et le spina-bifida. Leur étiologie est complexe impliquant à la fois des facteurs environnementaux et des facteurs génétiques. Un dérèglement dans la signalisation Wnt, incluant la signalisation canonique Wnt/β-caténine et non-canonique de la polarité planaire cellulaire (PCP), peut causer respectivement le cancer ou les anomalies du tube neural (ATN). Les deux voies semblent s’antagoniser mutuellement. Dans cette étude, nous investiguons les rôles de Lrp6 et deANKRD6, entant qu’interrupteurs moléculaires entre les deux voies de signalisation Wnt, et CELSR1, en tant que membre de la PCP, chez la souris mutante Skax26m1Jus, générée par l’agent mutagène N-Ethyl-N-Nitrosuera, et dans une cohorte de patients humains ATN. Pour Lrp6, nous avons démontré que Skax26m1Jus représente un allèle hypermorphe de Lrp6 avec une augmentation de l’activité de la signalisation Wnt/canonique et une diminution de l’activité JNK induite par la voie PCP. Nous avons également montré que Lrp6Skax26m1Jus interagit génétiquement avec un mutant PCP (Vangl2Lp) où les doubles hétérozygotes ont montré une fréquence élevée d’ATN et des défauts dans la polarité des cellules ciliées de la cochlée. Particulièrement, notre étude démontre l'association des nouvelles et rares mutations faux-sens dans LRP6 avec les ATN humaines. Nous montrons que trois mutations de LRP6 causent une activité canonique réduite et non-canonique élevée. Pour ANKRD6, nous avons identifié quatre nouvelles et rares mutations faux-sens chez 0,8% des patients ATN et deux chez 1,3% des contrôles. Notamment, seulement deux, des six mutations validées (p.Pro548Leu et p.Arg632His) ont démontré un effet significatif sur l’activité de ANKRD6 selon un mode hypomorphique. Pour CELSR1, nous avons identifié une mutation non-sens dans l'exon 1 qui supprime la majeure partie de la protéine et une délétionde 12 pb. Cette perte de nucléotides ne change pas le cadre de lecture et élimine un motif putatif de phosphorylation par la PKC " SSR ". Nous avons également détecté un total de 13 nouveaux et rares variants faux-sens qui avaient été prédits comme étant pathogènes in silico. Nos données confirment le rôle inhibiteur de Lrp6 dans la signalisation PCP pendant la neurulation et indiquent aussi que les mutations faux-sens identifiées chez LRP6 et ANKRD6 pourraient affecter un équilibre réciproque et un antagonisme très sensible à un dosage précis entre les deux voies Wnt. Ces variants peuvent aussi agir comme facteurs prédisposants aux ATN. En outre, nos résultats impliquent aussi CELSR1 comme un facteur de risque pour les anomalies du tube neural ou l’agénésie caudale. Nos résultats fournissent des preuves supplémentaires que la voie de signalisation PCP a un rôle pathogène dans ces malformations congénitales et un outil important pour mieux comprendre leurs mécanismes moléculaires.

Architectures radiales hétéro-poly-métalliques pour la photosynthèse artificielle et le stockage de l'information

Par une approche supramoléculaire, des architectures radiales hétéro-poly-métalliques ont été réalisées pour des applications en photosynthèse artificielle et en magnétisme moléculaire. Dans une première partie, la synthèse et la caractérisation (spectroscopie UV-vis, émission, électrochimique, DRX) de complexes de ruthénium(II), possédant une gamme de ligands polypyridines, ont été réalisées. Les calculs théoriques ont été effectués afin de soutenir l’interprétation des propriétés photophysiques. Ces complexes, présentant un certain nombre de pyridines externes, ont servi de cœur à des architectures à base de rhénium tris-carbonyles (pour les effets d’antenne), et de cobaloximes (pour les propriétés catalytiques). Les nucléarités obtenues varient de 2 à 7 selon le cœur utilisé. Ces systèmes ont été engagés dans des cycles de photo-production de dihydrogène, démontrant une meilleure efficacité que la référence du domaine, le [Ru(bpy)3]2+. La seconde partie concerne l’étude de couples de métaux de transition, construits à partir de briques polycyanométallates, ou de lanthanides pontés par des ligands oxamides. Ces approches « complexes comme ligand » puis « assemblages comme ligand » permettent d’obtenir des systèmes de haute nucléarité, présentant des propriétés de molécule-aimant ou des effets magnéto-caloriques (à base de CrNi, GdCu, DyCu). Des propriétés photomagnétiques ont été observées sur les couples RuCu et MoCu, pouvant servir de commutateurs moléculaires dans des systèmes complexes. Enfin, une structure hétéro-tétra-métallique trifonctionnelle a été obtenue contenant à la fois un commutateur MoCu, une entité molécule-aimant CuTb et un complexe de ruthénium.