Assessing The Role Of Multi-protein Complexes In Determining Phenotype

Understanding regulatory mechanisms in complex biological systems is an important challenge, in particular to understand disease mechanisms, and to discover new therapies and drugs. In this paper, we consider the important question of cellular regulation of phenotype. Using single gene deletion data, we address the problem of linking a phenotype to underlying functional roles in the organism and provide a sound computational and statistical paradigm that can be extended to address more complex experimental settings such as multiple deletions. We apply the proposed approaches to publicly available data sets to demonstrate strong evidence for the involvement of multi-protein complexes in the phenotypes studied.

Systematic analysis of protein complexes involved in the human RNA polymerase II machinery

La transcription, la maturation d’ARN, et le remodelage de la chromatine sont tous des processus centraux dans l'interprétation de l'information contenue dans l’ADN. Bien que beaucoup de complexes de protéines formant la machinerie cellulaire de transcription aient été étudiés, plusieurs restent encore à identifier et caractériser. En utilisant une approche protéomique, notre laboratoire a purifié plusieurs composantes de la machinerie de transcription de l’ARNPII humaine par double chromatographie d’affinité "TAP". Cette procédure permet l'isolement de complexes protéiques comme ils existent vraisemblablement in vivo dans les cellules mammifères, et l'identification de partenaires d'interactions par spectrométrie de masse. Les interactions protéiques qui sont validées bioinformatiquement, sont choisies et utilisées pour cartographier un réseau connectant plusieurs composantes de la machinerie transcriptionnelle. En appliquant cette procédure, notre laboratoire a identifié, pour la première fois, un groupe de protéines, qui interagit physiquement et fonctionnellement avec l’ARNPII humaine. Les propriétés de ces protéines suggèrent un rôle dans l'assemblage de complexes à plusieurs sous-unités, comme les protéines d'échafaudage et chaperonnes. L'objectif de mon projet était de continuer la caractérisation du réseau de complexes protéiques impliquant les facteurs de transcription. Huit nouveaux partenaires de l’ARNPII (PIH1D1, GPN3, WDR92, PFDN2, KIAA0406, PDRG1, CCT4 et CCT5) ont été purifiés par la méthode TAP, et la spectrométrie de masse a permis d’identifier de nouvelles interactions. Au cours des années, l’analyse par notre laboratoire des mécanismes de la transcription a contribué à apporter de nouvelles connaissances et à mieux comprendre son fonctionnement. Cette connaissance est essentielle au développement de médicaments qui cibleront les mécanismes de la transcription.

NMR studies of transiente protein complexes

Dissertação apresentada para obtenção do Grau de Doutor em Bioquímica,especialidade Bioquímica Física,pela Universidade Nova de Lisboa,Faculdade de Ciências e Tecnologia

Study of protein complexes

Summary : A lot of information can be obtained on proteins when proteomics methods are used. In our study, we aimed to characterize complexes containing pro-apoptotic proteins by different proteomics methods and finally focused on PIDD (p53-induced protein with a death domain), for which the most interesting results were obtained. PIDD has been shown to function as a molecular switch between genotoxic stress-induced apoptotis and genotoxic stress-induced cell survival through NF-κB activation. To exert these two functions, PIDD forms alternate complexes respectively with caspase2 and CRADD on one hand and RIP 1 and NEMO on the other hand. The first part of our study focuses on the processing of PIDD. PIDD full length (FL) is constitutively cleaved into three fragments, an N-terminal one (PIDD-N) and two fragments containing the C-terminus (PIDD-C and PIDD-CC). Localization of the two PIDD cleavage sites by mass spectrometry (MS) allowed to understand that PIDD is probably not cleaved by proteases but is subject to protein (self-)splicing and also to map the PIDD-N, PIDD-C and PIDD-CC fragments exactly. Further characterization of these three fragments by Tinel et al. (Tinel et al., 2007) showed that PIDD-C is involved in activation of an apoptotic pathway while PIDD-CC is involved in NF-κB activation. We also found that PIDD is subject to proline-directed phosphorylation at two serine residues in PIDD-N, the regulatory fragment of PIDD. The second part of the study aimed at identifying by proteomics techniques proteins that co-purify with PIDD and therefore are putative cellular interaction partners. In this respect we analyzed samples obtained in different conditions or with different PIDD constructs corresponding to processed fragments. This allowed us to identify a large number of potential interactors for PIDD. For example, by comparing data obtained from PIDD-C and PIDD-FL affinity purifications, we found that the Hsp90 chaperone system interacts strongly with PIDD-N. In the third part of this study, we developed methods to selectively and rapidly quantify by MS proteins of interest in PIDD affinity purifications or negative controls. Using these tools we detected significant changes in PIDD-FL-copurifying proteins treated by heat shock. Overall, our studies provide informative data on the processing of PIDD and its possible involvement in several molecular pathways.

Probabilistic contact preferences in protein-ligand and protein-protein complexes

Modeller för intermolekulär växelvärkan utnyttjas brett inom biologin. Analys av kontakter mellan proteiner och läkemedelsforskning representerar typiska tillämpningsområden för dylika modeller. En modell som beskriver sådana molekylära växelverkningar kan utformas med hjälp av biofysisk teori, vilket tenderar att resultera i ytterst tung beräkningsbörda även för enkla tillämpningar. Ett alternativt sätt att formulera modeller är att utnyttja stora databaser som innehåller strukturmätningar gjorda med hjälp av till exempel röntgendiffraktion. Då man använder sig av empiriska mätdata direkt, möjliggör en statistisk modell att osäkerheten och inexaktheten i datat tas till hänsyn på ett adekvat sätt, samtidigt som beräkningsbördan håller sig på en rimligare nivå jämfört med kvantmekaniska metoder som i princip borde ge de optimala resultaten. I avhandlingen utvecklades en 3D modell för numerisk undersökning av intermolekulär växelverkan baserad på Bayesiansk statistik. Modellens syfte är att åstadkomma prognoser för det hurdana eller vilka molekylstrukturer prefereras i en given kontext, d.v.s. är mer sannolika inom ramen för interaktion. Modellen testades i essentiella molekyläromgivningar - en liten molekyl vid sin bindningsplats hos ett protein och en gränsyta mellan proteinerna i ett komplex. De erhållna numeriska resultaten motsvarar väl experimentella resultat som tidigare rapporterats i litteraturen, exempelvis kvalitativa bindningsaffiniteter och kemisk kännedom av vissa aminosyrors rumsliga förmågor att utgöra bindningar. I avhandlingen gjordes ytterligare preliminära tester av den statistiska ansatsen för modellering av den centrala molekylära strukturella anpassningsbarheten. I praktiken är den utvecklade modellen ämnad som ett led i en mer omfattande analysmetod, så som en s.k. farmakofor modell. Molekyylivuorovaikutusten mallintamista hyödynnetään laajasti biologisten kysymysten tarkastelussa. Tyypillisiä esimerkkejä sovelluskohteista ovat proteiinien väliset kontaktit ja lääkesuunnittelu. Vuorovaikutuksia kuvaavan mallin lähtökohta voi olla molekyyleihin liittyvä teoria, jolloin soveltamiseen liittyvä laskenta saattaa olla erityisen raskasta, tai suuri havaintojoukko joka on saatu aikaan esimerkiksi mittaamalla rakenteita röntgendiffraktio menetelmällä. Tilastollinen malli mahdollistaa havaintoaineistossa olevan epätarkkuuden ja epävarmuuden huomioimisen, samalla pitäen laskennallisen kuorman pienempänä verrattuna periaatteessa parhaan tuloksen antavaan kvanttimekaaniseen mallinnukseen. Väitöstyössä kehitettiin bayesiläiseen tilastotieteeseen perustuva 3D malli molekyylien välisten vuorovaikutusten laskennalliseen tarkasteluun. Mallin tehtävä on tuottaa ennusteita sen suhteen, minkä tai millaisten molekyylirakenteiden väliset kompleksit ovat etusijalla, toisin sanoen todennäköisempiä, vuorovaikutustilanteessa. Työssä kehitetyn menetelmän toimivuutta testattiin käyttötarkoituksen suhteen olennaisissa molekyyliympäristöissä - pieni molekyyli sitoutumiskohdassaan proteiinissa sekä rajapinta kahden proteiinin välilllä proteiinikompleksissa. Saadut laskennalliset tulokset vastasivat hyvin vertailuun käytettyjä kirjallisuudesta saatuja kokeellisia tuloksia, kuten laadullisia sitoutumisaffiniteetteja, sekä kemiallista tietoa esimerkiksi tiettyjen aminohappojen avaruudellisesta sidoksenmuodostuksesta. Väitöstyössä myös alustavasti testattiin tilastollista lähestymistapaa tärkeän molekyylien rakenteellisen mukautuvuuden mallintamiseen. Käytännössä malli on tarkoitettu osaksi jotakin laajempaa analyysimenetelmää, kuten farmakoforimallia.

Modeling Metal Protein Complexes from Experimental Extended X-ray Absorption Fine Structure using Computational Intelligence

Experimental Extended X-ray Absorption Fine Structure (EXAFS) spectra carry information about the chemical structure of metal protein complexes. However, pre- dicting the structure of such complexes from EXAFS spectra is not a simple task. Currently methods such as Monte Carlo optimization or simulated annealing are used in structure refinement of EXAFS. These methods have proven somewhat successful in structure refinement but have not been successful in finding the global minima. Multiple population based algorithms, including a genetic algorithm, a restarting ge- netic algorithm, differential evolution, and particle swarm optimization, are studied for their effectiveness in structure refinement of EXAFS. The oxygen-evolving com- plex in S1 is used as a benchmark for comparing the algorithms. These algorithms were successful in finding new atomic structures that produced improved calculated EXAFS spectra over atomic structures previously found.

Dissecting cell cycle protein complexes using the pptimized yeast cytosine deaminase protein-fragment complementation assay “You too can play with an edge”

Les protéines sont les produits finaux de la machinerie génétique. Elles jouent des rôles essentiels dans la définition de la structure, de l'intégrité et de la dynamique de la cellule afin de promouvoir les diverses transformations chimiques requises dans le métabolisme et dans la transmission des signaux biochimique. Nous savons que la doctrine centrale de la biologie moléculaire: un gène = un ARN messager = une protéine, est une simplification grossière du système biologique. En effet, plusieurs ARN messagers peuvent provenir d’un seul gène grâce à l’épissage alternatif. De plus, une protéine peut adopter plusieurs fonctions au courant de sa vie selon son état de modification post-traductionelle, sa conformation et son interaction avec d’autres protéines. La formation de complexes protéiques peut, en elle-même, être déterminée par l’état de modifications des protéines influencées par le contexte génétique, les compartiments subcellulaires, les conditions environmentales ou être intrinsèque à la croissance et la division cellulaire. Les complexes protéiques impliqués dans la régulation du cycle cellulaire sont particulièrement difficiles à disséquer car ils ne se forment qu’au cours de phases spécifiques du cycle cellulaire, ils sont fortement régulés par les modifications post-traductionnelles et peuvent se produire dans tous les compartiments subcellulaires. À ce jour, aucune méthode générale n’a été développée pour permettre une dissection fine de ces complexes macromoléculaires. L'objectif de cette thèse est d'établir et de démontrer une nouvelle stratégie pour disséquer les complexes protéines formés lors du cycle cellulaire de la levure Saccharomyces cerevisiae (S. cerevisiae). Dans cette thèse, je décris le développement et l'optimisation d'une stratégie simple de sélection basée sur un essai de complémentation de fragments protéiques en utilisant la cytosine déaminase de la levure comme sonde (PCA OyCD). En outre, je décris une série d'études de validation du PCA OyCD afin de l’utiliser pour disséquer les mécanismes d'activation des facteurs de transcription et des interactions protéine-protéines (IPPs) entre les régulateurs du cycle cellulaire. Une caractéristique clé du PCA OyCD est qu'il peut être utilisé pour détecter à la fois la formation et la dissociation des IPPs et émettre un signal détectable (la croissance des cellules) pour les deux types de sélections. J'ai appliqué le PCA OyCD pour disséquer les interactions entre SBF et MBF, deux facteurs de transcription clés régulant la transition de la phase G1 à la phase S. SBF et MBF sont deux facteurs de transcription hétérodimériques composés de deux sous-unités : une protéine qui peut lier directement l’ADN (Swi4 ou Mbp1, respectivement) et une protéine commune contenant un domain d’activation de la transcription appelée Swi6. J'ai appliqué le PCA OyCD afin de générer un mutant de Swi6 qui restreint ses activités transcriptionnelles à SBF, abolissant l’activité MBF. Nous avons isolé des souches portant des mutations dans le domaine C-terminal de Swi6, préalablement identifié comme responsable dans la formation de l’interaction avec Swi4 et Mbp1, et également important pour les activités de SBF et MBF. Nos résultats appuient un modèle où Swi6 subit un changement conformationnel lors de la liaison à Swi4 ou Mbp1. De plus, ce mutant de Swi6 a été utilisé pour disséquer le mécanisme de régulation de l’entrée de la cellule dans un nouveau cycle de division cellulaire appelé « START ». Nous avons constaté que le répresseur de SBF et MBF nommé Whi5 se lie directement au domaine C-terminal de Swi6. Finalement, j'ai appliqué le PCA OyCD afin de disséquer les complexes protéiques de la kinase cycline-dépendante de la levure nommé Cdk1. Cdk1 est la kinase essentielle qui régule la progression du cycle cellulaire et peut phosphoryler un grand nombre de substrats différents en s'associant à l'une des neuf protéines cycline régulatrice (Cln1-3, Clb1-6). Je décris une stratégie à haut débit, voir à une échelle génomique, visant à identifier les partenaires d'interaction de Cdk1 et d’y associer la cycline appropriée(s) requise(s) à l’observation d’une interaction en utilisant le PCA OyCD et des souches délétées pour chacune des cyclines. Mes résultats nous permettent d’identifier la phase(s) du cycle cellulaire où Cdk1 peut phosphoryler un substrat particulier et la fonction potentielle ou connue de Cdk1 pendant cette phase. Par exemple, nous avons identifié que l’interaction entre Cdk1 et la γ-tubuline (Tub4) est dépendante de Clb3. Ce résultat est conforme au rôle de Tub4 dans la nucléation et la croissance des faisceaux mitotiques émanant des centromères. Cette stratégie peut également être appliquée à l’étude d'autres IPPs qui sont contrôlées par des sous-unités régulatrices.

AMIN domains have a predicted role in localization of diverse periplasmic protein complexes

We describe AMIN (Amidase N-terminal domain), a novel protein domain found specifically in bacterial periplasmic proteins. AMIN domains are widely distributed among peptidoglycan hydrolases and transporter protein families. Based on experimental data, contextual information and phyletic profiles, we suggest that AMIN domains mediate the targeting of periplasmic or extracellular proteins to specific regions of the bacterial envelope.

Identification of continuous interaction sites in PLA(2)-based protein complexes by peptide arrays

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Identification of surface protein complexes of Streptococcus pyogenes through protein microarray technology

A systematic characterization of the composition and structure of the bacterial cell-surface proteome and its complexes can provide an invaluable tool for its comprehensive understanding. The knowledge of protein complexes composition and structure could offer new, more effective targets for a more specific and consequently effective immune response against a complex instead of a single protein. Large-scale protein-protein interaction screens are the first step towards the identification of complexes and their attribution to specific pathways. Currently, several methods exist for identifying protein interactions and protein microarrays provide the most appealing alternative to existing techniques for a high throughput screening of protein-protein interactions in vitro under reasonably straightforward conditions. In this study approximately 100 proteins of Group A Streptococcus (GAS) predicted to be secreted or surface exposed by genomic and proteomic approaches were purified in a His-tagged form and used to generate protein microarrays on nitrocellulose-coated slides. To identify protein-protein interactions each purified protein was then labeled with biotin, hybridized to the microarray and interactions were detected with Cy3-labelled streptavidin. Only reciprocal interactions, i. e. binding of the same two interactors irrespective of which of the two partners is in solid-phase or in solution, were taken as bona fide protein-protein interactions. Using this approach, we have identified 20 interactors of one of the potent toxins secreted by GAS and known as superantigens. Several of these interactors belong to the molecular chaperone or protein folding catalyst families and presumably are involved in the secretion and folding of the superantigen. In addition, a very interesting interaction was found between the superantigen and the substrate binding subunit of a well characterized ABC transporter. This finding opens a new perspective on the current understanding of how superantigens are modified by the bacterial cell in order to become major players in causing disease.

Identification of two distinct human SMC protein complexes involved in mitotic chromosome dynamics

The structural maintenance of chromosomes (SMC) family member proteins previously were shown to play a critical role in mitotic chromosome condensation and segregation in yeast and Xenopus. Other family members were demonstrated to be required for DNA repair in yeast and mammals. Although several different SMC proteins were identified in different organisms, little is known about the SMC proteins in humans. Here, we report the identification of four human SMC proteins that form two distinct heterodimeric complexes in the cell, the human chromosome-associated protein (hCAP)-C and hCAP-E protein complex (hCAP-C/hCAP-E), and the human SMC1 (hSMC1) and hSMC3 protein complex (hSMC1/hSMC3). The hCAP-C/hCAP-E complex is the human ortholog of the Xenopus chromosome-associated protein (XCAP)-C/XCAP-E complex required for mitotic chromosome condensation. We found that a second complex, hSMC1/hSMC3, is required for metaphase progression in mitotic cells. Punctate vs. diffuse distribution patterns of the hCAP-C/hCAP-E and hSMC1/hSMC3 complexes in the interphase nucleus indicate independent behaviors of the two complexes during the cell cycle. These results suggest that two distinct classes of SMC protein complexes are involved in different aspects of mitotic chromosome organization in human cells.

Temporal Control of Leaf Complexity by miRNA-Regulated Licensing of Protein Complexes

The tremendous diversity of leaf shapes has caught the attention of naturalists for centuries. In addition to interspecific and intraspecific differences, leaf morphologies may differ in single plants according to age, a phenomenon known as heteroblasty. In Arabidopsis thaliana, the progression from the juvenile to the adult phase is characterized by increased leaf serration. A similar trend is seen in species with more complex leaves, such as the A. thaliana relative Cardamine hirsuta, in which the number of leaflets per leaf increases with age. Although the genetic changes that led to the overall simpler leaf architecture in A. thaliana are increasingly well understood, less is known about the events underlying age-dependent changes within single plants, in either A. thaliana or C. hirsuta. Here, we describe a conserved miRNA transcription factor regulon responsible for an age-dependent increase in leaf complexity. In early leaves, miR319-targeted TCP transcription factors interfere with the function of miR164-dependent and miR164-independent CUC proteins, preventing the formation of serrations in A. thaliana and of leaflets in C. hirsuta. As plants age, accumulation of miR156-regulated SPLs acts as a timing cue that destabilizes TCP-CUC interactions. The destabilization licenses activation of CUC protein complexes and thereby the gradual increase of leaf complexity in the newly formed organs. These findings point to posttranslational interaction between unrelated miRNA-targeted transcription factors as a core feature of these regulatory circuits.

Pharmacological discrimination of calcitonin receptor:receptor activity-modifying protein complexes

Calcitonin (CT) receptors dimerize with receptor activity-modifying proteins (RAMPs) to create high-affinity amylin (AMY) receptors, but there is no reliable means of pharmacologically distinguishing these receptors. We used agonists and antagonists to define their pharmacology, expressing the CT (a) receptor alone or with RAMPs in COS-7 cells and measuring cAMP accumulation. Intermedin short, otherwise known as adrenomedullin 2, mirrored the action of αCGRP, being a weak agonist at CT(a), AMY 2(a), and AMY3(a) receptors but considerably more potent at AMY1(a) receptors. Likewise, the linear calcitonin gene-related peptide (CGRP) analogs (Cys(ACM)2,7)hαCGRP and (Cys(Et) 2,7)haCGRP were only effective at AMY1(a) receptors, but they were partial agonists. As previously observed in COS-7 cells, there was little induction of the AMY2(a) receptor phenotype; thus, AMY 2(a) was not examined further in this study. The antagonist peptide salmon calcitonin8-32 (sCT8-32) did not discriminate strongly between CT and AMY receptors; however, AC187 was a more effective antagonist of AMY responses at AMY receptors, and AC413 additionally showed modest selectivity for AMY1(a) over AMY3(a) receptors. CGRP8-37 also demonstrated receptor-dependent effects. CGRP 8-37 more effectively antagonized AMY at AMY1(a) than AMY3(a) receptors, although it was only a weak antagonist of both, but it did not inhibit responses at the CT(a) receptor. Low CGRP 8-37 affinity and agonism by linear CGRP analogs at AMY 1(a) are the classic signature of a CGRP2 receptor. Our data indicate that careful use of combinations of agonists and antagonists may allow pharmacological discrimination of CT(a), AMY1(a), and AMY3(a) receptors, providing a means to delineate the physiological significance of these receptors. Copyright © 2005 The American Society for Pharmacology and Experimental Therapeutics.