Bait formulations of molluscicides and their effects on biochemical changes in the ovotestis of snail Lymnaea acuminata (Mollusca; Gastropoda:Lymnaeidae)

The effect of sub-lethal feeding of bait formulations containing molluscicidal component of Ferula asafoetida (ferulic acid, umbelliferone), Syzygium aromaticum (eugenol) and Carum carvi (limonene) on biochemical changes in the ovotestis of snail Lymnaea acuminata were studied. Bait formulations feeding to L. acuminata were studied in clear glass aquaria having diameter of 30 cm. Baits were prepared from different binary combinations of attractant amino acid (valine, aspartic acid, lysine and alanine 10 mM) in 100 mL of 2% agar solution + sub-lethal (20% and 60% of 24h LC50) doses of different molluscicides (ferulic acid, umbelliferone, eugenol and limonene). These baits caused maximum significant reduction in free amino acid, protein, DNA, RNA levels i.e. 41.37, 23.56, 48.36 and 14.29% of control in the ovotestis of the snail, respectively. Discontinuation of feeding after treatment of 60% of 96h LC50 of molluscicide containing bait for next 72h caused a significant recovery in free amino acid, protein, DNA and RNA levels in the ovotestis of L. acuminata.

Epigenetic and cell cycle control of centromere inheritance

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

Molecular determinants of nonaqueous biocatalysis

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Biochemistry

Biochemical characterization of recombinant human telomerase

Résumé Les télomères sont les structures ADN-protéines des extrémités des chromosomes des eucaryotes. L'ADN télomérique est constitué de courtes séquences répétitives. L'intégrité des télomères est essentielle pour protéger les extrémités des chromosomes contre les systèmes de dégradations et pour les distinguer des cassures de l'ADN double brin. Parce que la machinerie de la réplication de l'ADN n'est pas capable de répliquer l'extrémité des chromosomes, les télomères raccourcissent au fur et à mesure des cycles de réplication. Dès que les télomères atteignent une longueur critique, leur structure protectrice est perdue. Cela induit un signal de dommage de l'ADN et l'arrêt du cycle cellulaire. Pour contrebalancer le raccourcissement des télomères, les cellules qui s'auto régénèrent, dont les cellules de la moelle osseuse, les lymphocytes activés et 80-90% des cellules cancéreuses, expriment la télomérase. C'est une ribonucléoprotéine qui a la capacité de synthétiser des séquences télomériques par transcription inverse d'une courte séquence contenue dans sa propre sous-unité ARN avec laquelle elle est associée. La télomérase humaine est une enzyme processive au niveau de l'addition des nucléotides et aussi des répétitions télomériques. La télomérase de levure et la télomérase humaine sont toutes deux dimériques et il a été montré que la télomérase humaine recombinante contient deux ARN qui coopèrent pour fonctionner ainsi que deux sous-unités catalytiques. Cependant, il n'a pas encore été montré quel est le rôle de la dimérisation dans l'activité de la télomérase. Afin d'élucider ce rôle, nous avons exprimé, reconstitué et purifié la télomérase humaine dimérique recombinante. Et pour étudier l'effet d'ARN mutants sur l'activité de la télomérase, nous avons développé une méthode pour reconstituer et enrichir en hétérodimères de télomérase. Les hétérodimères contiennent une sous-unité ARN sauvage et une sous-unité ARN mutée au niveau de la séquence de la matrice. Sur l'ARN muté nous avons introduit une étiquette aptamer ARN-S1 puis nous avons purifié la télomérase via l'etiquette Si. Nous avons montré que la dimérisation est essentielle pour l'activité de la télomérase. Nos données indiquent que chaque télomérase du dimère allonge leur substrat, l'ADN télomérique, indépendamment l'une de l'autre à chaque cycle d'élongation mais que l'addition itérative de répétitions télomériques nécessite une coopération entre les deux télomérases du dimère. Nous proposons donc un modèle dans lequel les deux télomérases du dimères se lient et allongent deux substrats télomères et que pendant l'élongation processive les deux enzymes subissent un changement de conformation de manière coordonnée, ce changement va permettre le repositionnement des substrats pour d'autres cycles d'additions de répétitions télomériques. Dyskeratosis congenita est une maladie mortelle due majoritairement au disfonctionnement de la moelle osseuse. Dans la forme autosomale de la maladie, l'ARN de la télomérase contient des mutations. En utilisant notre système de reconstitution, nous avons montré que ces ARN mutés, qui ont perdu leur activité enzymatique dans le cas d'un homodimère de mutants, sont dominant négatifs quand ils sont présents dans les hétérodimères sauvage/mutant. Cet effet trans-dominant négatif pourrait contribuer à la progression de la maladie. Abstract Telomeres are protein-DNA structures at the ends of linear eukaryotic chromosomes. The telomeric DNA consists of tandemly repeated sequences. Telomeric integrity is essential to protect chromosomal ends from nucleolytic degradation and to prevent their recognition as DNA double strand breaks. Due to the inability of the conventional DNA replication machinery to replicate terminal DNA stretches, telomeres shorten with continuous rounds of DNA replication. As soon as telomeres reach a critical length, their protective structure is lost and the deprotected telomeres will induce a DNA damage response leading to cell cycle arrest. To counteract telomere shortening, self-renewing cells, including bone marrow cells, activated lymphocytes and 80-90% of cancer cells express the cellular reverse transcriptase telomerase, which has the capacity to synthesize telomeric repeats by reverse transcription of a short template sequence encoded by its stably associated RNA subunit. Human telomerase is a processive enzyme for nucleotide as well as repeat addition. Both yeast and human telomerase are dimeric enzymes and recombinant human telomerase has been shown to contain two functionally cooperating RNAs and most probably also two protein subunits. However, it has remained unclear how dimerization may contribute to telomerase activity. To study the role of dimerization, we expressed, reconstituted and purified recombinant human telomerase. We also developed a new method to reconstitute and enrich for telomerase heterodimers containing wild-type (wt) and mutant telomerase RNA subunits. To this end we introduced an S1-RNA-aptamer tag into telomerase RNA and purified telomerase reconstituted with a mixture of untagged and tagged RNA via the S1-tag. Using this experimental system, we introduced template mutations in the tagged RNA subunit and examined the effect of mutant RNAs on wt telomerase activity in wt/mutant heterodimers. We obtained evidence that dimerization is essential for telomerase activity. Our data indicate that the two subunits elongate telomere substrates independently of each other during single rounds of elongation, but that iterative addition of telomeric repeats requires cooperation between the two subunits. We suggest a model, in which dimeric telomerases bind and elongate two telomere substrates and that the two subunits undergo coordinated conformational changes during processive elongation that enable repositioning the substrates for subsequent rounds of repeat addition. Dyskeratosis congenita is a multisystemic disease with bone marrow failure as the major cause of death. The autosomal form of this disease was found to harbor mutations in the telomerase RNA. Using our reconstitution system, we tested whether mutant dyskeratosis telomerase RNAs behaved in a dominant negative manner. We observed that dyskeratosis telomerase RNA mutants, which lacked enzymatic activity were dominant negative, when present in wt/ mutant heterodimers. The transdominant negative effect of these mutants may contribute to disease progression.

Exploring unfrequent events with accelerated molecular dynamics simulations: from photochemistry to drug design

La meva incorporació al grup de recerca del Prof. McCammon (University of California San Diego) en qualitat d’investigador post doctoral amb una beca Beatriu de Pinós, va tenir lloc el passat 1 de desembre de 2010; on vaig dur a terme les meves tasques de recerca fins al darrer 1 d’abril de 2012. El Prof. McCammon és un referent mundial en l’aplicació de simulacions de dinàmica molecular (MD) en sistemes biològics d’interès humà. La contribució més important del Prof. McCammon en la simulació de sistemes biològics és el desenvolupament del mètode de dinàmiques moleculars accelerades (AMD). Les simulacions MD convencionals, les quals estan limitades a l’escala de temps del nanosegon (~10-9s), no son adients per l’estudi de sistemes biològics rellevants a escales de temps mes llargues (μs, ms...). AMD permet explorar fenòmens moleculars poc freqüents però que son clau per l’enteniment de molts sistemes biològics; fenòmens que no podrien ser observats d’un altre manera. Durant la meva estada a la “University of California San Diego”, vaig treballar en diferent aplicacions de les simulacions AMD, incloent fotoquímica i disseny de fàrmacs per ordinador. Concretament, primer vaig desenvolupar amb èxit una combinació dels mètodes AMD i simulacions Car-Parrinello per millorar l’exploració de camins de desactivació (interseccions còniques) en reaccions químiques fotoactivades. En segon lloc, vaig aplicar tècniques estadístiques (Replica Exchange) amb AMD en la descripció d’interaccions proteïna-lligand. Finalment, vaig dur a terme un estudi de disseny de fàrmacs per ordinador en la proteïna-G Rho (involucrada en el desenvolupament de càncer humà) combinant anàlisis estructurals i simulacions AMD. Els projectes en els quals he participat han estat publicats (o estan encara en procés de revisió) en diferents revistes científiques, i han estat presentats en diferents congressos internacionals. La memòria inclosa a continuació conté més detalls de cada projecte esmentat.

Functional chromatin features are associated with structural mutations in cancer.

BACKGROUND: Structural mutations (SMs) play a major role in cancer development. In some cancers, such as breast and ovarian, DNA double-strand breaks (DSBs) occur more frequently in transcribed regions, while in other cancer types such as prostate, there is a consistent depletion of breakpoints in transcribed regions. Despite such regularity, little is understood about the mechanisms driving these effects. A few works have suggested that protein binding may be relevant, e.g. in studies of androgen receptor binding and active chromatin in specific cell types. We hypothesized that this behavior might be general, i.e. that correlation between protein-DNA binding (and open chromatin) and breakpoint locations is common across divergent cancers. RESULTS: We investigated this hypothesis by comprehensively analyzing the relationship among 457 ENCODE protein binding ChIP-seq experiments, 125 DnaseI and 24 FAIRE experiments, and 14,600 SMs from 8 diverse cancer datasets covering 147 samples. In most cancers, including breast and ovarian, we found enrichment of protein binding and open chromatin in the vicinity of SM breakpoints at distances up to 200 kb. Furthermore, for all cancer types we observed an enhanced enrichment in regions distant from genes when compared to regions proximal to genes, suggesting that the SM-induction mechanism is independent from the bias of DSBs to occur near transcribed regions. We also observed a stronger effect for sites with more than one protein bound. CONCLUSIONS: Protein binding and open chromatin state are associated with nearby SM breakpoints in many cancer datasets. These observations suggest a consistent mechanism underlying SM locations across different cancers.

Genetic Variations and Diseases in UniProtKB/Swiss-Prot: The Ins and Outs of Expert Manual Curation.

During the last few years, next-generation sequencing (NGS) technologies have accelerated the detection of genetic variants resulting in the rapid discovery of new disease-associated genes. However, the wealth of variation data made available by NGS alone is not sufficient to understand the mechanisms underlying disease pathogenesis and manifestation. Multidisciplinary approaches combining sequence and clinical data with prior biological knowledge are needed to unravel the role of genetic variants in human health and disease. In this context, it is crucial that these data are linked, organized, and made readily available through reliable online resources. The Swiss-Prot section of the Universal Protein Knowledgebase (UniProtKB/Swiss-Prot) provides the scientific community with a collection of information on protein functions, interactions, biological pathways, as well as human genetic diseases and variants, all manually reviewed by experts. In this article, we present an overview of the information content of UniProtKB/Swiss-Prot to show how this knowledgebase can support researchers in the elucidation of the mechanisms leading from a molecular defect to a disease phenotype.

Differential regulation of RasGAPs in cancer

Ever since their discovery as cellular counterparts of viral oncogenes more than 25 years ago, much progress has been made in understanding the complex networks of signal transduction pathways activated by oncogenic Ras mutations in human cancers. The activity of Ras is regulated by nucleotide exchange factors (GEFs) and GTPase activating proteins (GAPs), and much emphasis has been put into the biochemical and structural analysis of the Ras/GAP complex. The mechanisms by which GAPs catalyze Ras-GTP hydrolysis have been clarified and revealed that oncogenic Ras mutations confer resistance to GAPs and remain constitutively active. However, it is yet unclear how cells coordinate the large and divergent GAP protein family to promote Ras inactivation and ensure a certain biological response. Different domain arrangements in GAPs to create differential protein-protein and protein-lipid interactions are probably key factors determining the inactivation of the 3 Ras isoforms H-, K-, and N-Ras and their effector pathways. In recent years, in vitro as well as cell- and animal-based studies examining GAP activity, localization, interaction partners, and expression profiles have provided further insights into Ras inactivation and revealed characteristics of several GAPs to exert specific and distinct functions. This review aims to summarize knowledge on the cell biology of RasGAP proteins that potentially contributes to differential regulation of spatiotemporal Ras signaling.

Complex formation by the human RAD51C and XRCC3 recombination repair proteins.

In vertebrates, the RAD51 protein is required for genetic recombination, DNA repair, and cellular proliferation. Five paralogs of RAD51, known as RAD51B, RAD51C, RAD51D, XRCC2, and XRCC3, have been identified and also shown to be required for recombination and genome stability. At the present time, however, very little is known about their biochemical properties or precise biological functions. As a first step toward understanding the roles of the RAD51 paralogs in recombination, the human RAD51C and XRCC3 proteins were overexpressed and purified from baculovirus-infected insect cells. The two proteins copurify as a complex, a property that reflects their endogenous association observed in HeLa cells. Purified RAD51C--XRCC3 complex binds single-stranded, but not duplex DNA, to form protein--DNA networks that have been visualized by electron microscopy.

Functional impact of genetic variation on gene expression

Numerous links between genetic variants and phenotypes are known and genome-wide association studies dramatically increased the number of genetic variants associated with traits during the last decade. However, how changes in the DNA perturb the molecular mechanisms and impact on the phenotype of an organism remains elusive. Studies suggest that many traitassociated variants are in the non-coding region of the genome and probably act through regulation of gene expression. During my thesis I investigated how genetic variants affect gene expression through gene regulatory mechanisms. The first chapter was a collaborative project with a pharmaceutical company, where we investigated genome-wide copy number variation (CNVs) among Cynomolgus monkeys (Macaca fascicularis) used in pharmaceutical studies, and associated them to changes in gene expression. We found substantial copy number variation and identified CNVs linked to tissue-specific expression changes of proximal genes. The second and third chapters focus on genetic variation in humans and its effects on gene regulatory mechanisms and gene expression. The second chapter studies two human trios, where the allelic effects of genetic variation on genome-wide gene expression, protein-DNA binding and chromatin modifications were investigated. We found abundant allele specific activity across all measured molecular phenotypes and show extended coordinated behavior among them. In the third chapter, we investigated the impact of genetic variation on these phenotypes in 47 unrelated individuals. We found that chromatin phenotypes are organized into local variable modules, often linked to genetic variation and gene expression. Our results suggest that chromatin variation emerges as a result of perturbations of cis-regulatory elements by genetic variants, leading to gene expression changes. The work of this thesis provides novel insights into how genetic variation impacts gene expression by perturbing regulatory mechanisms. -- De nombreux liens entre variations génétiques et phénotypes sont connus. Les études d'association pangénomique ont considérablement permis d'augmenter le nombre de variations génétiques associées à des phénotypes au cours de la dernière décennie. Cependant, comprendre comment ces changements perturbent les mécanismes moléculaires et affectent le phénotype d'un organisme nous échappe encore. Des études suggèrent que de nombreuses variations, associées à des phénotypes, sont situées dans les régions non codantes du génome et sont susceptibles d'agir en modifiant la régulation d'expression des gènes. Au cours de ma thèse, j'ai étudié comment les variations génétiques affectent les niveaux d'expression des gènes en perturbant les mécanismes de régulation de leur expression. Le travail présenté dans le premier chapitre est un projet en collaboration avec une société pharmaceutique. Nous avons étudié les variations en nombre de copies (CNV) présentes chez le macaque crabier (Macaca fascicularis) qui est utilisé dans les études pharmaceutiques, et nous les avons associées avec des changements d'expression des gènes. Nous avons découvert qu'il existe une variabilité substantielle du nombre de copies et nous avons identifié des CNVs liées aux changements d'expression des gènes situés dans leur voisinage. Ces associations sont présentes ou absentes de manière spécifique dans certains tissus. Les deuxième et troisième chapitres se concentrent sur les variations génétiques dans les populations humaines et leurs effets sur les mécanismes de régulation des gènes et leur expression. Le premier se penche sur deux trios humains, père, mère, enfant, au sein duquel nous avons étudié les effets alléliques des variations génétiques sur l'expression des gènes, les liaisons protéine-ADN et les modifications de la chromatine. Nous avons découvert que l'activité spécifique des allèles est abondante abonde dans tous ces phénotypes moléculaires et nous avons démontré que ces derniers ont un comportement coordonné entre eux. Dans le second, nous avons examiné l'impact des variations génétiques de ces phénotypes moléculaires chez 47 individus, sans lien de parenté. Nous avons observé que les phénotypes de la chromatine sont organisés en modules locaux, qui sont liés aux variations génétiques et à l'expression des gènes. Nos résultats suggèrent que la variabilité de la chromatine est due à des variations génétiques qui perturbent des éléments cis-régulateurs, et peut conduire à des changements dans l'expression des gènes. Le travail présenté dans cette thèse fournit de nouvelles pistes pour comprendre l'impact des différentes variations génétiques sur l'expression des gènes à travers les mécanismes de régulation.

Mapeamento das interações proteína-ligante através de técnicas de RMN de ¹H utilizando detecção do ligante

NMR is a valuable screening tool for the binding of ligands to proteins providing structural information on both protein and ligands and is thus largely applied to drug-discovery. Among the recent NMR techniques to probe weak binding protein-ligand complexes we have critically evaluated the advantages and disadvantages of STD (Saturation Transfer Difference), WaterLOGSY (Water Ligand Observation with Gradient Spectroscopy), NOE pumping and DOSY-NOESY (Diffusion-Ordered NOESY) using a mixture of BSA (bovine serum albumin) plus salicylic acid, caffeine, citric acid, adipic acid and D-glucose.

Membrane proteins: functional and structural studies using reconstituted proteoliposomes and 2-D crystals

Reconstitution of membrane proteins into lipid bilayers is a powerful tool to analyze functional as well as structural areas of membrane protein research. First, the proper incorporation of a purified membrane protein into closed lipid vesicles, to produce proteoliposomes, allows the investigation of transport and/or catalytic properties of any membrane protein without interference by other membrane components. Second, the incorporation of a large amount of membrane proteins into lipid bilayers to grow crystals confined to two dimensions has recently opened a new way to solve their structure at high resolution using electron crystallography. However, reconstitution of membrane proteins into functional proteoliposomes or 2-D crystallization has been an empirical domain, which has been viewed for a long time more like "black magic" than science. Nevertheless, in the last ten years, important progress has been made in acquiring knowledge of lipid-protein-detergent interactions and has permitted to build upon a set of basic principles that has limited the empirical approach of reconstitution experiments. Reconstitution strategies have been improved and new strategies have been developed, facilitating the success rate of proteoliposome formation and 2-D crystallization. This review deals with the various strategies available to obtain proteoliposomes and 2-D crystals from detergent-solubilized proteins. It gives an overview of the methods that have been applied, which may be of help for reconstituting more proteins into lipid bilayers in a form suitable for functional studies at the molecular level and for high-resolution structural analysis.

Hepatitis B virus genotype E detected in Brazil in an African patient who is a frequent traveler

Genotype E of hepatitis B virus (HBV) has not been described in Brazil and is found mainly in Africa. Genotype A is the most prevalent in Brazil, and genotypes B, C, D, and F have already been reported. We report here an HBV genotype E-infected patient and some characterization of surface (S) protein, DNA polymerase (P) and precore/core (preC/C) coding regions based on the viral genome. The patient is a 31-year-old black man with chronic hepatitis B who was born and raised in Angola. He has been followed by a hepatologist in São Paulo, Brazil, since November 2003, and he is a frequent traveler to Latin America, Africa, and Europe. In 2003, he was diagnosed with HBV infection and started treatment with lamivudine with the later addition of adefovir dipivoxil. No known risk factor was identified. Serologically, he is HBsAg and anti-HBe positive, but HBeAg and anti-HBs negative. DNA sequence analysis of the S/P region confirmed that this patient is infected with genotype E, subtype ayw4. The preC/C region showed G1896A and G1899A mutations but no mutations in the basal core promoter. Nucleotide substitutions common in genotype E were also observed (C1772, T1858 and A1757). Although this is not an autochthonous case and there is no evidence of further spread, the description of this case in Brazil highlights the current risk of viral genotypes spreading with unprecedented speed due to constant travel around the world.

The role of Caulobacter crescentus XerC and XerD recombinases in site-specific recombination

XerC et XerD, deux recombinases impliquées dans la recombinaison site spécifique, résolvent les multimères d’ADN en monomères. Cette réaction se produit au niveau du site dif du chromosome, et nécessite le domaine C-terminale de la protéine de division cellulaire FtsK. Caulobacter crescentus est une bactérie aquatique de type Gram-négative qui se retrouve dans plusieurs environnements. Elle présente un cycle cellulaire asymétrique avec deux types de cellules distinctes. Cette propriété peut être utilisée pour synchroniser la croissance d’une population bactérienne pour permettre l’étude de l’expression de gènes à travers le temps et les liens entre le cycle cellulaire et le développement de la bactérie. La liaison à l’ADN et la capacité de former des complexes covalents (phosphotyrosyl) avec le site dif de C. crescentus (ccdif) ont été testé pour les recombinases de C. crescentus (ccXerC et ccXerD). Les deux recombinases ont eu une meilleure liaison au demi-site gauche de ccdif et sont incapable d’effectuer une liaison coopérative, contrairement à ce qui se produit au niveau du site dif de E. coli. La formation de complexes covalents a été testé en utilisant des «substrats suicides avec bris» marqués à la fluorescence ainsi que des protéines de fusion (marquées ou non à la fluorescence). Des complexes ADN-protéines résistants à la chaleur et au SDS ont été observé lors de la réaction de ccXerC et ccXerD de type sauvage avec ccdif, mais pas lors de la réaction de mutants avec le même ADN. Des complexes covalents phosphotyrosine sont formés de façon plus efficace sur les substrats suicides avec un bris au niveau du brin supérieur que ceux ayant un bris au niveau du brin inférieur. Dans les deux cas, c’est ccXerC qui est resté lié de façon covalente à l’ADN de ccdif.

Caractérisation de la fonction des complexes histone déacétylases Rpd3S et Set3C

La chromatine est essentielle au maintien de l’intégrité du génome, mais, ironiquement, constitue l’obstacle principal à la transcription des gènes. Plusieurs mécanismes ont été développés par la cellule pour pallier ce problème, dont l’acétylation des histones composant les nucléosomes. Cette acétylation, catalysée par des histones acétyl transférases (HATs), permet de réduire la force de l’interaction entre les nucléosomes et l’ADN, ce qui permet à la machinerie transcriptionnelle de faire son travail. Toutefois, on ne peut laisser la chromatine dans cet état permissif sans conséquence néfaste. Les histone déacétylases (HDACs) catalysent le clivage du groupement acétyle pour permettre à la chromatine de retrouver une conformation compacte. Cette thèse se penche sur la caractérisation de la fonction et du mécanisme de recrutement des complexes HDACs Rpd3S et Set3C. Le complexe Rpd3S est recruté aux régions transcrites par une interaction avec le domaine C-terminal hyperphosphorylé de Rpb1, une sous-unité de l’ARN polymérase II. Toutefois, le facteur d’élongation DSIF joue un rôle dans la régulation de cette association en limitant le recrutement de Rpd3S aux régions transcrites. L’activité HDAC de Rpd3S, quant à elle, dépend de la méthylation du résidu H3K36 par l’histone méthyltransférase Set2. La fonction du complexe Set3C n’est pas clairement définie. Ce complexe est recruté à la plupart de ses cibles par l’interaction entre le domaine PHD de Set3 et le résidu H3K4 di- ou triméthylé. Un mécanisme indépendant de cette méthylation, possiblement le même que pour Rpd3S, régit toutefois l’association de Set3C aux régions codantes des gènes les plus transcrits. La majorité de ces résultats ont été obtenus par la technique d’immunoprécipitation de la chromatine couplée aux biopuces (ChIP-chip). Le protocole technique et le design expérimental de ce type d’expérience fera aussi l’objet d’une discussion approfondie.