L´onconasa com a model per l´estudi de les bases moleculars de la citotoxicitat de les ribonucleases pancreàtiques. Aplicacions a la construcció de ribonucleases amb activitat antimicrobiana

La primera part d'aquest treball s´ha centrat en la caracterització i optimització del procés d'activació de l´onconasa recombinant per tal d'obtenir l´enzim igual a la forma nativa. Per això, les reaccions d'eliminació de la Met-1 i la ciclació de la Glu1, necessàries per generar el piroglutamic han estat seguides per MALDI-TOF MS. La segona part d´aquest treball s´ha centrat en l´estudi de la contribució del pont disulfur 30-75 de l´onconasa a les seves propietats biològiques. Els resultats suggereixen que el potencial redox del citosol cel·lular podria reduir el pont disulfur 30-75 de l´onconasa salvatge afectant la unió onconasa -inhibidor proteic de ribonucleases. La tercera part ha consistit en la construcció de variants de l´HP-RNasa i onconasa amb activitat bactericida. Per això, s´ha introduït el determinant bactericida (YRWR) descrit per la proteïna catiònica d'eosinòfils en els dos enzims. Els resultats obtinguts han evidenciat que les dues ribonucleases amb el determinant bactericida presenten activitat citotòxica contra bacteris gram-negatius preferentment.

Producció i caracterització de variants de la ribonucleasa pancreàtica humana dissenyades per a adquirir propietats citotòxiques

Amb la finalitat d'aprofundir en les bases moleculars de la citotoxicitat de les ribonucleases pancreàtiques, es van construir variants derivades de l'HP-RNasa seguint dues estratègies. En la primera, es van generar variants de l'enzim resistents a l'acció de l'inhibidor proteic de les ribonucleases (hRI), substituint residus implicats en la interfície de contacte entre la ribonucleasa i l'hRI. En la segona, es va addicionar el motiu RGD en regions de superfície de la proteïna implicades en la formació del complex amb l'hRI, a fi de promoure la seva interacció amb la membrana plasmàtica de les cèl·lules i a la vegada disminuir l'afinitat de les variants per l'hRI. Es va comprovar que només les variants portadores de substitucions múltiples adquirien la capacitat de resistència a l'hRI. L'estudi del percentatge d'inhibició de la síntesi proteica en cèl·lules incubades amb cadascuna de les variants va mostrar que només dues de les variants construïdes havien adquirit propietats citotòxiques. La citotoxicitat més elevada la va presentar una variant que no era resistent a l'hRI, amb valors que eren només entre 5 i 15 vegades inferiors als de l'onconasa. Aquest resultat demostrà que la sensibilitat a l'hRI no és necessàriament un paràmetre limitant per a la citotoxicitat de les ribonucleases. Cap de les variants que incorporava un motiu RGD presentà citotoxicitat, evidenciant que aquest motiu no és efectiu a fi de dotar les ribonucleases pancreàtiques de propietats citotòxiques. Es van estudiar les bases moleculars de la citotoxicitat de la variant més citotòxica. En primer lloc, l'anàlisi de la internalització per marcatge radioactiu d'aquesta variant en relació amb l'onconasa i amb altres variants de l'HP-RNasa no citotòxiques, va posar en evidència que només l'onconasa era internalitzada eficientment. Es descartava així la possibilitat que l'acció citotòxica de l'enzim estudiat fos conseqüència d'una major eficiència d'endocitosi. També es va comprovar que l'addició del motiu RGD no era capaç de promoure la internalització de les proteïnes amb més eficàcia. Per microscòpia confocal de fluorescència, les variants humanes només es van començar a detectar a l'interior de la cèl·lula a partir de les 24 h d'incubació. Totes les variants generades van presentar una eficiència catalítica superior al 50 % de l'activitat de la seva proteïna parental, PM5, indicant que probablement l'estructura del centre actiu no havia estat afectada de manera dràstica per les substitucions introduïdes. No obstant, en tots els casos es va produir una disminució en la termoestabilitat respecte a PM5. Aquest resultat indicà que la correlació descrita a la bibliografia entre l'increment de termoestabilitat i l'increment de citotoxicitat per les ribonucleases no sempre es compleix. Per microscòpia confocal es va comprovar que tant la proteïna més citotòxica, com una variant no citotòxica resistent a l'hRI, així com la proteïna parental, seguien la via de degradació lisosomal. Aquesta ruta de trànsit no va ser afectada per l'addició de drogues que alteren les vies de trànsit retrògrad (monensina i brefeldina A), però sí per l'addició de la bafilomicina A1, una droga que neutralitza el pH endosomal i que va actuar alentint el trànsit de les proteïnes als lisosomes. D'acord amb aquests resultats, els valors de citotoxicitat de les variants es van incrementar de manera significativa només en presència de bafilomicina A1, suggerint que les ribonucleases transloquen al citoplasma a partir d'algun punt de la via de trànsit endosomal. Es va comprovar que l'acció de la variant més citotòxica era deguda a que l'addició d'un segon motiu de tres Arg en PE5 dota a aquesta proteïna amb un senyal de transport nuclear. La fracció d'enzim que aconsegueix translocar al citoplasma a partir d'algun punt de la via endosomal previ als lisosomes, és conduït ràpidament al nucli de la cèl·lula per mitjà del mecanisme clàssic de transport actiu. Per la seva afinitat amb l'rRNA, l'enzim es concentra en el nuclèol, on probablement duu a terme la seva activitat catalítica. La interacció d'aquesta variant amb els receptors nucleocitoplasmàtics, les importines, impediria per altra banda el bloqueig de l'enzim per part de l'hRI. Els resultats obtinguts presenten una nova estratègia de disseny de ribonucleases citotòxiques, basada en l'addició de segments NLS a fi de promoure el transport nuclear dels enzims. Aquesta estratègia podria permetre superar limitacions que fins al moment han estat descrites com a limitants de la citotoxicitat de les ribonucleases pancreàtiques, com la sensibilitat a l'hRI o la baixa eficiència d'internalització.

The Role of Small RNAs and Ribonucleases in the Control of Gene Expression in Salmonella Typhimurium

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Biology

Artificial Ribonucleases: Oligonucleotides Conjugated with Metal Ion Chelates of Azacrowns

Ribonucleic acid (RNA) has many biological roles in cells: it takes part in coding, decoding, regulating and expressing of the genes as well as has the capacity to work as a catalyst in numerous biological reactions. These qualities make RNA an interesting object of various studies. Development of useful tools with which to investigate RNA is a prerequisite for more advanced research in the field. One of such tools may be the artificial ribonucleases, which are oligonucleotide conjugates that sequence-selectively cleave complementary RNA targets. This thesis is aimed at developing new efficient metal-ion-based artificial ribonucleases. On one hand, to solve the challenges related to solid-supported synthesis of metal-ion-binding conjugates of oligonucleotides, and on the other hand, to quantify their ability to cleave various oligoribonucleotide targets in a pre-designed sequence selective manner. In this study several artificial ribonucleases based on cleaving capability of metal ion chelated azacrown moiety were designed and synthesized successfully. The most efficient ribonucleases were the ones with two azacrowns close to the 3´- end of the oligonucleotide strand. Different transition metal ions were introduced into the azacrown moiety and among them, the Zn2+ ion was found to be better than Cu2+ and Ni2+ ions.

Caracterització estructural de Ribonucleases humanes

Les dues proteïnes estudiades en aquest treball (ECP o RNasa 3 i RNasa 1ΔN7) pertanyen a la superfamília de la RNasa A i resulten d'especial interès per la seva potencial aplicació en la teràpia i/o diagnòstic del càncer. A més de la seva capacitat ribonucleolítica, l'ECP presenta d'altres activitats, com l'antibacteriana, l'helmintotòxica o la citotòxica contra cèl·lules i teixits de mamífers. Per la RNasa 1 de tipus pancreàtic expressada per les cèl·lules endotelials humanes també s'ha proposat un paper defensiu. La RNasa 1ΔN7, en canvi, no presenta aquest tipus d'accions biològiques, si bé cal destacar la menor afinitat que exhibeix enfront el seu inhibidor específic en relació a d'altres membres de la família. Tant l'ECP com la RNasa 1ΔN7 s'han cristal·litzat emprant la tècnica de la difusió de vapor en gotes penjants, i s'han determinat les seves estructures tridimensionals (3D) mitjançant el mètode del reemplaçament molecular. Per l'afinament de les estructures s'han usat dades fins a 1,75 i 1,90 Å respectivament. Ambdòs molècules exhibeixen el plegament típic  +  que caracteritza a tots els membres de la superfamília de la RNasa A. Tanmateix, les diferències que mostren en comparació amb l'estructura d'altres RNases permeten explicar, d'una banda, la baixa activitat ribonucleolítica d'aquests enzims i, de l'altra, les seves peculiaritats funcionals.

Characterization of cytotoxic ribonucleases: from the internalization pathway to the importance of dimeric structures

En aquesta tesi s'ha caracteritzat la ruta d'internalització de l'onconasa, una RNasa citotòxica. Els resultats indiquen que l'onconasa entra a les cèl·lules per la via dependent de clatrina i del complex AP-2. Seguidament es dirigeix als endosomes de reciclatge i es a través d'aquesta ruta que la proteïna exerceix la citotoxicitat. Per altra banda, els resultats d'aquest treball demostren que PE5, una variant citotòxica de la ribonucleasa pancreàtica humana (HP-RNasa), interacciona amb la importina  mitjançant diferents residus que tot i que no són seqüencials, es troben propers en l'estructura tridimensional d'aquesta proteïna. PM8 és una HP-RNasa amb estructura cristal·logràfica dimèrica constituïda per intercanvi de dominis N-terminals. En aquesta tesi s'han establert les condicions per estabilitzar aquest dimer en solució i també es proposa un mecanisme per la dimerització.

Swapping structural determinants of ribonucleases: an energetic analysis of the hinge peptide 16-22.

Bovine seminal ribonuclease (BS-RNase) is a homodimeric enzyme strictly homologous to the pancreatic ribonuclease (RNase A). Native BS-RNase is an equilibrium mixture of two distinct dimers differing in the interchange of the N-terminal segments and in their biological properties. The loop 16-22 plays a fundamental role on the relative stability of the two isomers. Both the primary and tertiary structures of the RNase A differ substantially from those of the seminal ribonuclease in the loop region 16-22. To analyze the possible stable conformations of this loop in both enzymes, structure predictions have been attempted, according to a procedure described by Palmer and Scheraga [Palmer, K. A. & Scheraga, H. A. (1992) J. Comput. Chem. 13, 329-350]. Results compare well with experimental x-ray structures and clarify the structural determinants that are responsible for the swapping of the N-terminal domains and for the peculiar properties of BS-RNase. Minimal modifications of RNase A sequence needed to form a stable swapped dimer are also predicted.

Structural analysis and molecular model of a self-incompatibility RNase from wild tomato

Self-incompatibility RNases (S-RNases) are an allelic series of style glycoproteins associated with rejection of self-pollen in solanaceous plants. The nucleotide sequences of S-RNase alleles from several genera have been determined, but the structure of the gene products has only been described for those from Nicotiana alata. We report on the N-glycan structures and the disulfide bonding of the S-3-RNase from wild tomato (Lycopersicon peruvianum) and use this and other information to construct a model of this molecule. The S-3-RNase has a single N-glycosylation site (Asn-28) to which one of three N-glycans is attached. S-3-RNase has seven Cys residues; six are involved in disulfide linkages (Cys-16-Cys-21, Cys-46-Cys-91, and Cys-166-Cys-177), and one has a free thiol group (Cys-150). The disulfide-bonding pattern is consistent with that observed in RNase Rh, a related RNase for which radiographic-crystallographic information is available. A molecular model of the S-3-RNase shows that four of the most variable regions of the S-RNases are clustered on one surface of the molecule. This is discussed in the context of recent experiments that set out to determine the regions of the S-RNase important for recognition during the self-incompatibility response.

Mechanism of ribonuclease inhibition by ribonuclease inhibitor protein based on the crystal structure of its complex with ribonuclease A

We describe the mechanism of ribonuclease inhibition by ribonuclease inhibitor, a protein built of leucine-rich repeats, based on the crystal structure of the complex between the inhibitor and ribonuclease A. The structure was determined by molecular replacement and refined to an R(cryst) of 19.4% at 2.5 Angstrom resolution. Ribonuclease A binds to the concave region of the inhibitor protein comprising its parallel beta-sheet and loops. The inhibitor covers the ribonuclease active site and directly contacts several active-site residues. The inhibitor only partially mimics the RNase-nucleotide interaction and does not utilize the pi phosphate-binding pocket of ribonuclease A, where a sulfate ion remains bound. The 2550 Angstrom(2) of accessible surface area buried upon complex formation may be one of the major contributors to the extremely tight association (K-i = 5.9 x 10(-14) M). The interaction is predominantly electrostatic; there is a high chemical complementarity with 18 putative hydrogen bonds and salt links, but the shape complementarity is lower than in most other protein-protein complexes. Ribonuclease inhibitor changes its conformation upon complex formation; the conformational change is unusual in that it is a plastic reorganization of the entire structure without any obvious hinge and reflects the conformational flexibility of the structure of the inhibitor. There is a good agreement between the crystal structure and other biochemical studies of the interaction. The structure suggests that the conformational flexibility of RI and an unusually large contact area that compensates for a lower degree of complementarity may be the principal reasons for the ability of RI to potently inhibit diverse ribonucleases. However, the inhibition is lost with amphibian ribonucleases that have substituted most residues corresponding to inhibitor-binding residues in RNase A, and with bovine seminal ribonuclease that prevents inhibitor binding by forming a dimer. (C) 1996 Academic Press Limited

Functional and structural characterization of the RNase II-family of enzymes

Dissertation presented to obtain a Doctoral Degree in Biology by Instituto de Tecnologia Química e Biológica, Universidade Nova de Lisboa

The role of ribonuclease R in bacterial adaptation to cold shock

RESUMO:Os microrganismos reagem à súbita descida de temperatura através de uma resposta adaptativa específica que assegura a sua sobrevivência em condições desfavoráveis. Esta adaptação inclui alterações na composição da membrana, na maquinaria de tradução e transcrição. A resposta ao choque térmico pelo frio induz uma repressão da transcrição. No entanto, a descida de temperatura induz a produção de um grupo de proteínas específicas que ajudam a ajustar/re-ajustar o metabolismo celular às novas condições ambientais. Em E. coli o processo de adaptação demora apenas quatro horas, no qual um grupo de proteínas específicas são induzidas. Depois desde período recomeça lentamente a produção de proteínas.A ribonuclease R, uma das proteínas induzidas durante o choque térmico pelo frio, é uma das principais ribonucleases em E. coli envolvidas na degradação do RNA. É uma exoribonuclease que degrada RNA de cadeia dupla, possui funções importantes na maturação e “turnover” do RNA, libertação de ribossomas e controlo de qualidade de proteínas e RNAs. O nível celular desta enzima aumenta até dez vezes após exposição ao frio e estabiliza em células na fase estacionária. A capacidade de degradar RNA de dupla cadeia é importante a baixas temperaturas quando as estruturas de RNA estão mais estáveis. No entanto, este mecanismo é desconhecido. Embora a resposta específica ao “cold shock” tenha sido descoberta há mais de duas décadas e o número de proteínas envolvidas sugerirem que esta adaptação é rápida e simples, continuamos longe de compreender este processo. No nosso trabalho pretendemos descobrir proteínas que interactuem com a RNase R em condições ambientais diferentes através do método “TAP-tag” e espectrometria de massa. A informação obtida pode ser utilizada para deduzir algumas das novas funções da RNase R durante a adaptação bacteriana ao frio e durante a fase estacionária. Mais importante ainda, RNase R poderá ser recrutada para um complexo de proteínas de elevado peso molecular durante o “cold-shock”.------------ABSTRACT:Microorganisms react to the rapid temperature downshift with a specific adaptative response that ensures their survival in unfavorable conditions. Adaptation includes changes in membrane composition, in translation and transcription machinery. Cold shock response leads to overall repression of translation. However, temperature downshift induces production of a set of specific proteins that help to tune cell metabolism and readjust it to the new environmental conditions. For Escherichia coli the adaptation process takes only about four hours with a relatively small set of specifically induced proteins involved. After this time, protein production resumes, although at a slower rate. One of the cold inducible proteins is RNase R, one of the main E. coli ribonucleases involved in RNA degradation. RNase R is an exoribonuclease that digest double stranded RNA, serves important functions in RNA maturation and turnover, release of stalled ribosomes by trans-translation, and RNA and protein quality control. The level of this enzyme increases about ten-fold after cold induction, and it is also stabilised in cells growing in stationary phase. The RNase R ability to digest structured RNA is important at low temperatures where RNA structures are stabilized but the exact role of this mechanism remains unclear. Although specific bacterial cold shock response was discovered over two decades ago and the number of proteins involved suggests that this adaptation is fast and simple, we are still far from understanding this process. In our work we aimed to discover the proteins interacting with RNase R in different environmental conditions using TAP tag method and mass spectrometry analysis. The information obtained can be used to deduce some of the new functions of RNase R during adaptation of bacteria to cold and in stationary growth phase. Most importantly RNase R can be recruited into a high molecular mass complex of protein in cold shock.

The Relevance of Ribonuclease III in Pathogenic Bacteria

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Biology.

Paper de la PAP en la resposta inflamatoria durant la pancreatitis aguda

Estudi elaborat a partir d’una estada al Institut national de la santé et de la recherche médicale, França, entre setembre i octubre del 2006. La PAP va ser identificada inicialment com una proteïna de secreció, que apareixia al suc pancreàtic després de la inducció d’una pancreatitis aguda experimental. Per la PAP s’ha suggerit diferents funcions, algunes no relacionades en aparença, però les més interessants en el camp de la pancreatitis són les activitats antiapoptótiques, mitogéniques i, especialment, antiinflamatóries. Per aprofundir en aquests aspectes de la PAP, s’ha emprat un model de ratolí PAP-/- per observar els efectes de la deleció del gen de la PAP durant la pancreatitis aguda.Per induir la pancreatitis es va fer servir el model de administració de ceruleina a dosi supra-màximes. En aquestes condicions es va observar que en els animals PAP-/-, la severitat del procés era menor. Els marcadors de necrosi pancreàtica, lipasa i amilasa, van presentar nivells menors en els animals PAP-/- que en els corresponents wild type. Per contra, el nombre de PMN infiltrats i la producció de citoquines pro-inflamatories va ser major en el pàncreas dels animals PAP-/-. La intensitat de la resposta inflamatòria observada suggereix que en condicions fisiològiques, el paper anti-inflamatori de la PAP es prou rellevant. Això ja s’havia suggerit en estudis in vitro, en els que es va demostrar que l’activitat antiinflamatòria de la PAP depenia de la via de transducció de senyal Jak/STAT/SOCS3. Aquesta hipòtesi s’ha comprovat in vivo, monitoritzant el nivell d’activació de STAT3 en els pàncreas dels animals després de la inducció de la pancreatitis.Tot plegat confirma que les funcions antiinflamatòries descrites in vitro per la PAP també es poden observar in vivo, de manera que la PAP sembla ser un agent important en la resposta de les cèl•lules pancreàtiques durant la pancreatitis aguda.

Eosinophil cationic protein is not only a distinctive eosinophil protein

We read with interest the article by Qiu et al (Thorax 2007;62:475–82). In this paper, neutrophils and eosinophils were identified using mouse anti-human neutrophil elastase and anti-eosinophil cationic protein (ECP), both monoclonal antibodies (mAbs). mAbs against ECP have been used to detect total eosinophils, but immunostaining techniques evidenced that the number of ECP+ cells was higher than the number of eosinophils.1 Recent studies show that ECP is not only a distinctive eosinophil protein, but has been found in neutrophils.1–3

The alpha(1A/C)- and alpha(1B)-adrenergic receptors are required for physiological cardiac hypertrophy in the double-knockout mouse.

Catecholamines and alpha(1)-adrenergic receptors (alpha(1)-ARs) cause cardiac hypertrophy in cultured myocytes and transgenic mice, but heart size is normal in single KOs of the main alpha(1)-AR subtypes, alpha(1A/C) and alpha(1B). Here we tested whether alpha(1)-ARs are required for developmental cardiac hypertrophy by generating alpha(1A/C) and alpha(1B) double KO (ABKO) mice, which had no cardiac alpha(1)-AR binding. In male ABKO mice, heart growth after weaning was 40% less than in WT, and the smaller heart was due to smaller myocytes. Body and other organ weights were unchanged, indicating a specific effect on the heart. Blood pressure in ABKO mice was the same as in WT, showing that the smaller heart was not due to decreased load. Contractile function was normal by echocardiography in awake mice, but the smaller heart and a slower heart rate reduced cardiac output. alpha(1)-AR stimulation did not activate extracellular signal-regulated kinase (Erk) and downstream kinases in ABKO myocytes, and basal Erk activity was lower in the intact ABKO heart. In female ABKO mice, heart size was normal, even after ovariectomy. Male ABKO mice had reduced exercise capacity and increased mortality with pressure overload. Thus, alpha(1)-ARs in male mice are required for the physiological hypertrophy of normal postnatal cardiac development and for an adaptive response to cardiac stress.