Le motif d’empaquetage le long du sillon: une nouvelle entité structurale récurrente dans les ARN ribosomiques

La plupart des molécules d’ARN doivent se replier en structure tertiaire complexe afin d’accomplir leurs fonctions biologiques. Cependant, les déterminants d’une chaîne de polynucléotides qui sont nécessaires à son repliement et à ses interactions avec d’autres éléments sont essentiellement inconnus. L’établissement des relations structure-fonction dans les grandes molécules d’ARN passe inévitablement par l’analyse de chaque élément de leur structure de façon individuelle et en contexte avec d’autres éléments. À l’image d’une construction d’immeuble, une structure d’ARN est composée d’unités répétitives assemblées de façon spécifique. Les motifs récurrents d’ARN sont des arrangements de nucléotides retrouvés à différents endroits d’une structure tertiaire et possèdent des conformations identiques ou très similaires. Ainsi, une des étapes nécessaires à la compréhension de la structure et de la fonction des molécules d’ARN consiste à identifier de façon systématique les motifs récurrents et d’en effectuer une analyse comparative afin d’établir la séquence consensus. L’analyse de tous les cas d’empaquetage de doubles hélices dans la structure du ribosome a permis l’identification d’un nouvel arrangement nommé motif d’empaquetage le long du sillon (AGPM) (along-groove packing motif). Ce motif est retrouvé à 14 endroits dans la structure du ribosome de même qu’entre l’ARN ribosomique 23S et les molécules d’ARN de transfert liées aux sites ribosomaux P et E. Le motif se forme par l’empaquetage de deux doubles hélices via leur sillon mineur. Le squelette sucre-phosphate d’une hélice voyage le long du sillon mineur de l’autre hélice et vice versa. Dans chacune des hélices, la région de contact comprend quatre paires de bases. L’empaquetage le plus serré est retrouvé au centre de l’arrangement où l’on retrouve souvent une paire de bases GU dans une hélice interagissant avec une paire de bases Watson-Crick (WC) dans l’autre hélice. Même si la présence des paires de bases centrales GU versus WC au centre du motif augmente sa stabilité, d’autres alternatives existent pour différents représentants du motif. L’analyse comparative de trois librairies combinatoires de gènes d’AGPM, où les paires de bases centrales ont été variées de manière complètement aléatoire, a montré que le contexte structural influence l’étendue de la variabilité des séquences de nucléotides formant les paires de bases centrales. Le fait que l’identité des paires de bases centrales puisse varier suggérait la présence d’autres déterminants responsables au maintien de l’intégrité du motif. L’analyse de tous les contacts entre les hélices a révélé qu’en dehors du centre du motif, les interactions entre les squelettes sucre-phosphate s’effectuent via trois contacts ribose-ribose. Pour chacun de ces contacts, les riboses des nucléotides qui interagissent ensemble doivent adopter des positions particulières afin d’éviter qu’ils entrent en collision. Nous montrons que la position de ces riboses est modulée par des conformations spécifiques des paires de bases auxquelles ils appartiennent. Finalement, un autre motif récurrent identifié à l’intérieur même de la structure de trois cas d’AGPM a été nommé « adenosine-wedge ». Son analyse a révélé que ce dernier est lui-même composé d’un autre arrangement, nommé motif triangle-NAG (NAG-triangle). Nous montrons que le motif « adenosine-wedge » représente un arrangement complexe d’ARN composé de quatre éléments répétitifs, c’est-à-dire des motifs AGPM, « hook-turn », « A-minor » et triangle-NAG. Ceci illustre clairement l’arrangement hiérarchique des structures d’ARN qui peut aussi être observé pour d’autres motifs d’ARN. D’un point de vue plus global, mes résultats enrichissent notre compréhension générale du rôle des différents types d’interactions tertiaires dans la formation des molécules d’ARN complexes.

Représentation et recherche de motifs cycliques et structuraux d’ARN connus dans les structures secondaires

L'acide désoxyribonucléique (ADN) et l'acide ribonucléique (ARN) sont des polymères de nucléotides essentiels à la cellule. À l'inverse de l'ADN qui sert principalement à stocker l'information génétique, les ARN sont impliqués dans plusieurs processus métaboliques. Par exemple, ils transmettent l’information génétique codée dans l’ADN. Ils sont essentiels pour la maturation des autres ARN, la régulation de l’expression génétique, la prévention de la dégradation des chromosomes et le ciblage des protéines dans la cellule. La polyvalence fonctionnelle de l'ARN résulte de sa plus grande diversité structurale. Notre laboratoire a développé MC-Fold, un algorithme pour prédire la structure des ARN qu'on représente avec des graphes d'interactions inter-nucléotidiques. Les sommets de ces graphes représentent les nucléotides et les arêtes leurs interactions. Notre laboratoire a aussi observé qu'un petit ensemble de cycles d'interactions à lui seul définit la structure de n'importe quel motif d'ARN. La formation de ces cycles dépend de la séquence de nucléotides et MC-Fold détermine les cycles les plus probables étant donnée cette séquence. Mon projet de maîtrise a été, dans un premier temps, de définir une base de données des motifs structuraux et fonctionnels d'ARN, bdMotifs, en terme de ces cycles. Par la suite, j’ai implanté un algorithme, MC-Motifs, qui recherche ces motifs dans des graphes d'interactions et, entre autres, ceux générés par MC-Fold. Finalement, j’ai validé mon algorithme sur des ARN dont la structure est connue, tels que les ARN ribosomaux (ARNr) 5S, 16S et 23S, et l'ARN utilisé pour prédire la structure des riborégulateurs. Le mémoire est divisé en cinq chapitres. Le premier chapitre présente la structure chimique, les fonctions cellulaires de l'ARN et le repliement structural du polymère. Dans le deuxième chapitre, je décris la base de données bdMotifs. Dans le troisième chapitre, l’algorithme de recherche MC-Motifs est introduit. Le quatrième chapitre présente les résultats de la validation et des prédictions. Finalement, le dernier chapitre porte sur la discussion des résultats suivis d’une conclusion sur le travail.

Stabilité de l’acide ribonucléique pour la datation des fluides corporels en biologie judiciaire

Projet de recherche réalisé en collaboration avec la section Biologie/ADN du Laboratoire de sciences judiciaires et de médecine légale (LSJML) de Montréal.

Structural aspects of the ribosome evolution and function

Les résultats ont été obtenus avec le logiciel "Insight-2" de Accelris (San Diego, CA)

Identification de caractéristiques communes et rares dans les ARN structurés dans la base de données Rfam

Les ARN non codants (ARNnc) sont des transcrits d'ARN qui ne sont pas traduits en protéines et qui pourtant ont des fonctions clés et variées dans la cellule telles que la régulation des gènes, la transcription et la traduction. Parmi les nombreuses catégories d'ARNnc qui ont été découvertes, on trouve des ARN bien connus tels que les ARN ribosomiques (ARNr), les ARN de transfert (ARNt), les snoARN et les microARN (miARN). Les fonctions des ARNnc sont étroitement liées à leurs structures d’où l’importance de développer des outils de prédiction de structure et des méthodes de recherche de nouveaux ARNnc. Les progrès technologiques ont mis à la disposition des chercheurs des informations abondantes sur les séquences d'ARN. Ces informations sont accessibles dans des bases de données telles que Rfam, qui fournit des alignements et des informations structurelles sur de nombreuses familles d'ARNnc. Dans ce travail, nous avons récupéré toutes les séquences des structures secondaires annotées dans Rfam, telles que les boucles en épingle à cheveux, les boucles internes, les renflements « bulge », etc. dans toutes les familles d'ARNnc. Une base de données locale, RNAstem, a été créée pour faciliter la manipulation et la compilation des données sur les motifs de structure secondaire. Nous avons analysé toutes les boucles terminales et internes ainsi que les « bulges » et nous avons calculé un score d’abondance qui nous a permis d’étudier la fréquence de ces motifs. Tout en minimisant le biais de la surreprésentation de certaines classes d’ARN telles que l’ARN ribosomal, l’analyse des scores a permis de caractériser les motifs rares pour chacune des catégories d’ARN en plus de confirmer des motifs communs comme les boucles de type GNRA ou UNCG. Nous avons identifié des motifs abondants qui n’ont pas été étudiés auparavant tels que la « tetraloop » UUUU. En analysant le contenu de ces motifs en nucléotides, nous avons remarqué que ces régions simples brins contiennent beaucoup plus de nucléotides A et U. Enfin, nous avons exploré la possibilité d’utiliser ces scores pour la conception d’un filtre qui permettrait d’accélérer la recherche de nouveaux ARN non-codants. Nous avons développé un système de scores, RNAscore, qui permet d’évaluer un ARN en se basant sur son contenu en motifs et nous avons testé son applicabilité avec différents types de contrôles.

Phylogenomics of eukaryotes: Impact of missing data on large alignments

Resolving the relationships between Metazoa and other eukaryotic groups as well as between metazoan phyla is central to the understanding of the origin and evolution of animals. The current view is based on limited data sets, either a single gene with many species (e.g., ribosomal RNA) or many genes but with only a few species. Because a reliable phylogenetic inference simultaneously requires numerous genes and numerous species, we assembled a very large data set containing 129 orthologous proteins (similar to30,000 aligned amino acid positions) for 36 eukaryotic species. Included in the alignments are data from the choanoflagellate Monosiga ovata, obtained through the sequencing of about 1,000 cDNAs. We provide conclusive support for choanoflagellates as the closest relative of animals and for fungi as the second closest. The monophyly of Plantae and chromalveolates was recovered but without strong statistical support. Within animals, in contrast to the monophyly of Coelomata observed in several recent large-scale analyses, we recovered a paraphyletic Coelamata, with nematodes and platyhelminths nested within. To include a diverse sample of organisms, data from EST projects were used for several species, resulting in a large amount of missing data in our alignment (about 25%). By using different approaches, we verify that the inferred phylogeny is not sensitive to these missing data. Therefore, this large data set provides a reliable phylogenetic framework for studying eukaryotic and animal evolution and will be easily extendable when large amounts of sequence information become available from a broader taxonomic range.

A novel method for the transport and analysis of genetic material from polyps and zooxanthellae of scleractinian corals

We have developed a new simple method for transport, storage, and analysis of genetic material from the corals Agaricia agaricites, Dendrogyra cylindrica, Eusmilia ancora, Meandrina meandrites, Montastrea annularis, Porites astreoides, Porites furcata, Porites porites, and Siderastrea siderea at room temperature. All species yielded sufficient DNA from a single FTA(R) card (19 mug-43 ng) for subsequent PCR amplification of both coral and zooxanthellar DNA. The D1 and D2 variable region of the large Subunit rRNA gene (LSUrDNA) was amplified from the DNA of P. furcata and S. siderea by PCR. Electrophoresis yielded two major DNA bands: an 800-base pair (bp) DNA, which represented the coral ribosomal RNA (rRNA) gene, and a 600-bp DNA, which represented the zooxanthellar srRNA gene. Extraction of DNA from the bands yielded between 290 mug total DNA (S. siderea coral DNA) and 9 mug total DNA (P. furcata zooxanthellar DNA). The ability to transport and store genetic material from scleractinian corals without resort to laboratory facilities in the field allows for the molecular Study of a far wider range and variety of coral sites than have been studied to date. (C) 2003 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Reclassification of Bacteroides putredinis (Weinberg et al., 1937) in a New Genus Alistipes gen. nov., as Alistipes putredinis comb. nov., and description of Alistipes finegoldii sp nov., from human sources

During studies on the bacteriology of appendicitis in children, we often isolated from inflamed and non-inflamed tissue samples, an unusual bile-resistant pigment-producing strictly anaerobic gram-negative rod. Phenotypically this organism resembles members of Bacteroides fragilis group of species, as it is resistant to bile and exhibits a special-potency-disk pattern (resistance to vancomycin, kanamycin and colistin) typical for the B. fragilis group. However, the production of brown pigment on media containing haemolysed blood and a cellular fatty acid composition dominated by iso-C15:0, suggests that the organism most closely resembles species of the genus Porphyromonas. However, the unidentified organism differs from porphyromonads by being bile-resistant and by not producing butyrate as a metabolic end-product. Comparative 16S ribosomal RNA gene sequencing studies show the unidentified organism represents a distinct sub-line, associated with but distinct from, the miss-classified species Bacteroides putredinis. The clustering of the unidentified bacterium with Bacteroides putredinis was statistically significant, but they displayed >4% sequence divergence with each other. Chromosomal DNA-DNA pairing studies further confirmed the separateness of the unidentified bacterium and Bacteroides putredinis. Based on phenotypic and phylogenetic considerations, it is proposed that Bacteroides putredinis and the unidentified bacterium from human sources be classified in a new genus Alistipes, as Alistipes putredinis comb. nov. and Alistipes finegoldii sp. nov., respectively. The type strain of Alistipes finegoldii is CCUG 46020(T) (= AHN2437(T)).

Characterization of the 23S and 5S rRNA genes and 23S-5S intergenic spacer region (ITS-2) of Photobacterium damselae

The 23S ribosomal RNA (rRNA) gene has been sequenced in strains of the fish pathogens Photobacterium damselae subsp. damselae (ATCC 33539) and subsp. piscicida (ATCC 29690), showing that 3 nucleotide positions are clearly different between subspecies. In addition, the 5S rRNA gene plus the intergenic spacer region between the 23S and 5S rRNA genes (ITS-2) were amplified, cloned and sequenced for the 2 reference strains as well as the field isolates RG91 (subsp. damselae) and DI21 (subsp. piscicida). A 100% similarity was found for the consensus 5S rRNA gene sequence in the 2 subspecies, although some microheterogeneity was detected as inter-cistronic variability within the same chromosome. Sequence analysis of the spacer region between the 23S and 5S rRNA genes revealed 2 conserved and 3 variable nucleotide sequence blocks, and 4 different modular organizations were found. The ITS-2 spacer region exhibited both inter-subspecies and inter-cistronic polymorphism, with a mosaic-like structure. The EMBL accession numbers for the 23S, 5S and ITS-2 sequences are: P. damselae subsp. piscicida 5S gene (AJ274379), P. damselae subsp. damselae 23S gene (Y18520), subsp. piscicida 23S gene (Y17901), R damselae subsp. piscicida ITS-2 (AJ250695, AJ250696), P. damselae subsp. damselae ITS-2 (AJ250697, AJ250698).

Subdoligranulum variabile gen. nov., sp nov from human feces

During studies on the microflora of human feces we have isolated a strictly anaerobic, non-spore-forming, Gram-negative staining organism which exhibits a somewhat variable coccus-shaped morphology. Comparative 16S ribosomal RNA gene sequencing studies show the unidentified organism is phylogenetically a member of the Clostridium leptum supra-generic rRNA cluster and displays a close affinity to some rDNA clones derived from human and pig feces. The nearest named relatives of the unidentified isolate corresponded to Faecalibacterium prausnitzii (formerly Fusobacterium prausnitzii) displaying a 16S rRNA sequence divergence of approximately 9%, with Anaerofilum agile and A. pentosovorans the next closest relatives of the unidentified bacterium (sequence divergence approximately 10%). Based on phenotypic and phylogenetic considerations, it is proposed that the unusual coccoid-shaped organism be classified as a new genus and species, Subdoligranulum variabile. The type strain of S. variabile is BI 114(T) (= CCUG 47106(T) = DSM 15176(T)). (C) 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Phylogeny, species limits, and biogeography of the Brazilian lizards of the genus Eurolophosaurus (Squamata : Tropiduridae) as inferred from mitochondrial DNA sequences

Phylogenetic relationships and divergence times for 10 populations of the three recognized ""species"" of Brazilian lizards of genus Eurolophosaurus were estimated from 1229 bp of cyt b, COI, 12S, and 16S rRNA mitochondrial gene segments. Eurolophosaurus is monophyletic and the basal split within the genus separates E divaricatus from a clade comprising E amathites and E nanuzae. Three populations of E divaricatus, which occurs along the western bank of Rio S (a) over tildeo Francisco, were consistently grouped together. Oil the east bank of the river, E amathites and E nanuzae from state of Bahia were recovered as the sister group of E nanuzae populations from state of Minas Gerais. The paraphyly of E nanuzae and the high divergence levels among populations of E divaricatus strongly suggest that species limits in Eurolophosaurus should be revised. Even considering an extreme evolutionary rate of 2.8% sequence divergence per million years for the four gene segments analyzed together, E. divaricatus would have separated from the two other species by at least 5.5 my ago, and E. amathites from E nanuzae populations from Bahia and Minas Gerais, respectively, by 1.5 and 3.5 my. The paleolacustrine hypothesis and changes in the course of the river potentially explain faunal divergence in the area, but divergences are much older than previously admitted. (C) 2007 Elsevier Inc. All rights reserved.

The search of a genetic basis for noise-induced hearing loss (NIHL)

Background and aim: Knowledge about the genetic factors responsible for noise-induced hearing loss (NIHL) is still limited. This study investigated whether genetic factors are associated or not to susceptibility to NIHL. Subjects and methods: The family history and genotypes were studied for candidate genes in 107 individuals with NIHL, 44 with other causes of hearing impairment and 104 controls. Mutations frequently found among deaf individuals were investigated (35delG, 167delT in GJB2, Delta(GJB6- D13S1830), Delta(GJB6- D13S1854) in GJB6 and A1555G in MT-RNR1 genes); allelic and genotypic frequencies were also determined at the SNP rs877098 in DFNB1, of deletions of GSTM1 and GSTT1 and sequence variants in both MTRNR1 and MTTS1 genes, as well as mitochondrial haplogroups. Results: When those with NIHL were compared with the control group, a significant increase was detected in the number of relatives affected by hearing impairment, of the genotype corresponding to the presence of both GSTM1 and GSTT1 enzymes and of cases with mitochondrial haplogroup L1. Conclusion: The findings suggest effects of familial history of hearing loss, of GSTT1 and GSTM1 enzymes and of mitochondrial haplogroup L1 on the risk of NIHL. This study also described novel sequence variants of MTRNR1 and MTTS1 genes.

Comparative Cytogenetics and Molecular Phylogeography in the Group Astyanax altiparanae - Astyanax aff. bimaculatus (Teleostei, Characidae)

The genus Astyanax comprises small characin fish of the neotropical region. The so-called `yellow-tailed characins` compose one of the most widely distributed Astyanax groups. A. altiparanae and A. aff. bimaculatus, are evolutionarily closely related and commonly found in several Brazilian hydrographic basins. In the present work, chromosomal data of specimens of A. altiparanae and A. aff. bimaculatus from 4 hydrographic basins in the states of Sao Paulo (Upper Tiete, Paranapanema, Ribeira de Iguape) and Rio de Janeiro (Guapimirim) are shown. All the populations showed 50 chromosomes, with different karyotypic formula. Although only a single Ag-NOR bearing chromosome pair was observed, all populations possess multiple cistrons of 18S rDNA. FISH with the 5S rDNA probe showed single signals at the interstitial position of one metacentric chromosome pair. C-bands are distributed in the terminal and interstitial regions of several chromosomes. However, the As-51 satDNA are frugally located in a few chromosomes of fishes from Upper Tiete, Paranapanema and Guapimirim Rivers, being absent in individuals of A. aff. bimaculatus from Ribeira de Iguape River basin. Beside these 4 populations, molecular phylogeography studies were also performed in individuals from Middle and Lower Tiete River basin and from 2 additional collection sites in the Paranapanema and Ribeira de Iguape River basins. The phylogeographic analysis using 2 mtDNA regions (totalizing 1.314 bp of ND2 and ATPase6/8 genes) of 8 populations of the group of `yellow-tailed characins` from 3 major hydrographic basins showed structuring of populations, suggesting a correlation between chromosomal (nuclear) and molecular (mitochondrial) data. Copyright (C) 2011 S. Karger AG, Basel

Role of the Mitochondrial Mutations, m. 827A > G and the Novel m. 7462C > T, in the Origin of Hearing Loss

Samples from 30 deaf probands exhibiting features suggestive of syndromic mitochondrial deafness or from families with maternal transmission of deafness were selected for investigation of mutations in the mitochondrial genes MT-RNR1 and MT-TS1. Patients with mutation m. 1555A>G had been previously excluded from this sample. In the MT-RNR1 gene, five probands presented the m. 827A>G sequence variant, of uncertain pathogenicity. This change was also detected in 66 subjects of an unaffected control sample of 306 Brazilian individuals from various ethnic backgrounds. Given its high frequency, we consider it unlikely to have a pathogenic role on hereditary deafness. As to the MT-TS1 gene, one proband presented the previously known pathogenic m. 7472insC mutation and three probands presented a novel variant, m. 7462C>T, which was absent from the same control sample of 306 individuals. Because of its absence in control samples and association with a family history of hearing impairment, we suggest it might be a novel pathogenic mutation.

Genetic structure, phylogeny, and biogeography of Brazilian eyelid-less lizards of genera Calyptommatus and Nothobachia (Squamata, Gymnophthalmidae) as inferred from mitochondrial DNA sequences

Calyptommatus and Nothobachia genera of gymnophthalmid lizards are restricted to sandy open habitats on Sao Francisco River margins, northeastern Brazil. Phylogenetic relationships and geographic distribution of the four recognized species of Calyptommatus were analyzed from partial mitochondrial cyt b, 12S, and 16S rRNA genes sequencing, taking allopatric populations of the monotypic Nothobachia ablephara as the outgroup. In Calyptommatus a basal split separated C. sinebrachiatus, a species restricted to the eastern bank of the river, from the three other species. In this clade, C. confusionibus, found on western margin, was recovered as the sister group of the two other species, C. leiolepis and C. nicterus, from opposite margins. According to approximate date estimations, C. sinebrachiatus would have separated from the other congeneric species by 4.4-6.5 my, and C. nicterus, also from eastern bank, would be diverging by 1.8-2.6 my from C. leiolepis, the sister species on the opposite margin. C. confusionibus and C. leiolepis, both from western sandy areas, would be differentiating by 2.8-5.0 my. Divergence times of about 3.0-4.0 my were estimated for allopatric populations of Nothobachia restricted to western margin. Significant differences in 16S rRNA secondary structure relatively to other vertebrates are reported. Distinct evolutionary patterns are proposed for different taxa in those sandy areas, probably related to historical changes in the course of Sao Francisco River. (C) 2010 Elsevier Inc. All rights reserved.