The effect of mutations in the DRY motif on the constitutive activity and structural instability of the histamine H(2) receptor.

In previous studies we showed that the wild-type histamine H(2) receptor stably expressed in Chinese hamster ovary cells is constitutively active. Because constitutive activity of the H(2) receptor is already found at low expression levels (300 fmol/mg protein) this receptor is a relatively unique member of the G-protein-coupled receptor (GPCR) family and a useful tool for studying GPCR activation. In this study the role of the highly conserved DRY motif in activation of the H(2) receptor was investigated. Mutation of the aspartate 115 residue in this motif resulted in H(2) receptors with high constitutive activity, increased agonist affinity, and increased signaling properties. In addition, the mutant receptors were shown to be highly structurally instable. Mutation of the arginine 116 residue in the DRY motif resulted also in a highly structurally instable receptor; expression of the receptor could only be detected after stabilization with either an agonist or inverse agonist. Moreover, the agonist affinity at the Arg-116 mutant receptors was increased, whereas the signal transduction properties of these receptors were decreased. We conclude that the Arg-116 mutant receptors can adopt an active conformation but have a decreased ability to couple to or activate the G(s)-protein. This study examines the pivotal role of the aspartate and arginine residues of the DRY motif in GPCR function. Disruption of receptor stabilizing constraints by mutation in the DRY motif leads to the formation of active GPCR conformations, but concomitantly to GPCR instability.

Mutants of common bean alpha-amylase inhibitor-2 as an approach to investigate binding specificity to alpha-amylases

Despite the presence of a family of defense proteins, Phaseolus vulgaris can be attacked by bruchid insects resulting in serious damage to stored grains. The two distinct active forms of a-amylase inhibitors, a-AI1 and a-AI2, in P. vulgaris show different specificity toward a-amylases. Zabrotes subfasciatus a-amylase is inhibited by a-AI2 but not by a-AI1. In contrast, porcine a-amylase is inhibited by a-AI1 but not by a-AI2. The objective of this work was to understand the molecular basis of the specificity of two inhibitors in P. vulgaris (a-AI1 and a-AI2) in relation to a-amylases. Mutants of a-AI2 were made and expressed in tobacco plants. The results showed that all the a-AI2 mutant inhibitors lost their activity against the insect a-amylases but none exhibited activity toward the mammalian a-amylase. The replacement of His33 of a-AI2 with the a-AI1-like sequence Ser-Tyr-Asn abolished inhibition of Z. subfasciatus a-amylase. From structural modeling, the conclusion is that the size and complexity of the amylase-inhibitor interface explain why mutation of the N-terminal loop and resultant abolition of Z. subfasciatus a-amylase inhibition are not accompanied by gain of inhibitory activity against porcine a-amylase.

Structural determinants involved in the activation and regulation of G protein-coupled receptors: lessons from the alpha1-adrenegic receptor subtypes.

The aim of a large number of studies on G protein-coupled receptors was centered on understanding the structural basis of their main functional properties. Here, we will briefly review the results obtained on the alpha1-adrenergic receptor subtypes belonging to the rhodopsin-like family of receptors. These findings contribute, on the one hand, to further understand the molecular basis of adrenergic transmission and, on the other, to provide some generalities on the structure-functional relationship of G protein-coupled receptors.

Computational and statistical analysis of copy number variants in normal and cancer genomes

AbstractAlthough the genomes from any two human individuals are more than 99.99% identical at the sequence level, some structural variation can be observed. Differences between genomes include single nucleotide polymorphism (SNP), inversion and copy number changes (gain or loss of DNA). The latter can range from submicroscopic events (CNVs, at least 1kb in size) to complete chromosomal aneuploidies. Small copy number variations have often no (lethal) consequences to the cell, but a few were associated to disease susceptibility and phenotypic variations. Larger re-arrangements (i.e. complete chromosome gain) are frequently associated with more severe consequences on health such as genomic disorders and cancer. High-throughput technologies like DNA microarrays enable the detection of CNVs in a genome-wide fashion. Since the initial catalogue of CNVs in the human genome in 2006, there has been tremendous interest in CNVs both in the context of population and medical genetics. Understanding CNV patterns within and between human populations is essential to elucidate their possible contribution to disease. But genome analysis is a challenging task; the technology evolves rapidly creating needs for novel, efficient and robust analytical tools which need to be compared with existing ones. Also, while the link between CNV and disease has been established, the relative CNV contribution is not fully understood and the predisposition to disease from CNVs of the general population has not been yet investigated.During my PhD thesis, I worked on several aspects related to CNVs. As l will report in chapter 3, ! was interested in computational methods to detect CNVs from the general population. I had access to the CoLaus dataset, a population-based study with more than 6,000 participants from the Lausanne area. All these individuals were analysed on SNP arrays and extensive clinical information were available. My work explored existing CNV detection methods and I developed a variety of metrics to compare their performance. Since these methods were not producing entirely satisfactory results, I implemented my own method which outperformed two existing methods. I also devised strategies to combine CNVs from different individuals into CNV regions.I was also interested in the clinical impact of CNVs in common disease (chapter 4). Through an international collaboration led by the Centre Hospitalier Universitaire Vaudois (CHUV) and the Imperial College London I was involved as a main data analyst in the investigation of a rare deletion at chromosome 16p11 detected in obese patients. Specifically, we compared 8,456 obese patients and 11,856 individuals from the general population and we found that the deletion was accounting for 0.7% of the morbid obesity cases and was absent in healthy non- obese controls. This highlights the importance of rare variants with strong impact and provides new insights in the design of clinical studies to identify the missing heritability in common disease.Furthermore, I was interested in the detection of somatic copy number alterations (SCNA) and their consequences in cancer (chapter 5). This project was a collaboration initiated by the Ludwig Institute for Cancer Research and involved other groups from the Swiss Institute of Bioinformatics, the CHUV and Universities of Lausanne and Geneva. The focus of my work was to identify genes with altered expression levels within somatic copy number alterations (SCNA) in seven metastatic melanoma ceil lines, using CGH and SNP arrays, RNA-seq, and karyotyping. Very few SCNA genes were shared by even two melanoma samples making it difficult to draw any conclusions at the individual gene level. To overcome this limitation, I used a network-guided analysis to determine whether any pathways, defined by amplified or deleted genes, were common among the samples. Six of the melanoma samples were potentially altered in four pathways and five samples harboured copy-number and expression changes in components of six pathways. In total, this approach identified 28 pathways. Validation with two external, large melanoma datasets confirmed all but three of the detected pathways and demonstrated the utility of network-guided approaches for both large and small datasets analysis.RésuméBien que le génome de deux individus soit similaire à plus de 99.99%, des différences de structure peuvent être observées. Ces différences incluent les polymorphismes simples de nucléotides, les inversions et les changements en nombre de copies (gain ou perte d'ADN). Ces derniers varient de petits événements dits sous-microscopiques (moins de 1kb en taille), appelés CNVs (copy number variants) jusqu'à des événements plus large pouvant affecter des chromosomes entiers. Les petites variations sont généralement sans conséquence pour la cellule, toutefois certaines ont été impliquées dans la prédisposition à certaines maladies, et à des variations phénotypiques dans la population générale. Les réarrangements plus grands (par exemple, une copie additionnelle d'un chromosome appelée communément trisomie) ont des répercutions plus grave pour la santé, comme par exemple dans certains syndromes génomiques et dans le cancer. Les technologies à haut-débit telle les puces à ADN permettent la détection de CNVs à l'échelle du génome humain. La cartographie en 2006 des CNV du génome humain, a suscité un fort intérêt en génétique des populations et en génétique médicale. La détection de différences au sein et entre plusieurs populations est un élément clef pour élucider la contribution possible des CNVs dans les maladies. Toutefois l'analyse du génome reste une tâche difficile, la technologie évolue très rapidement créant de nouveaux besoins pour le développement d'outils, l'amélioration des précédents, et la comparaison des différentes méthodes. De plus, si le lien entre CNV et maladie a été établit, leur contribution précise n'est pas encore comprise. De même que les études sur la prédisposition aux maladies par des CNVs détectés dans la population générale n'ont pas encore été réalisées.Pendant mon doctorat, je me suis concentré sur trois axes principaux ayant attrait aux CNV. Dans le chapitre 3, je détaille mes travaux sur les méthodes d'analyses des puces à ADN. J'ai eu accès aux données du projet CoLaus, une étude de la population de Lausanne. Dans cette étude, le génome de plus de 6000 individus a été analysé avec des puces SNP et de nombreuses informations cliniques ont été récoltées. Pendant mes travaux, j'ai utilisé et comparé plusieurs méthodes de détection des CNVs. Les résultats n'étant pas complètement satisfaisant, j'ai implémenté ma propre méthode qui donne de meilleures performances que deux des trois autres méthodes utilisées. Je me suis aussi intéressé aux stratégies pour combiner les CNVs de différents individus en régions.Je me suis aussi intéressé à l'impact clinique des CNVs dans le cas des maladies génétiques communes (chapitre 4). Ce projet fut possible grâce à une étroite collaboration avec le Centre Hospitalier Universitaire Vaudois (CHUV) et l'Impérial College à Londres. Dans ce projet, j'ai été l'un des analystes principaux et j'ai travaillé sur l'impact clinique d'une délétion rare du chromosome 16p11 présente chez des patients atteints d'obésité. Dans cette collaboration multidisciplinaire, nous avons comparés 8'456 patients atteint d'obésité et 11 '856 individus de la population générale. Nous avons trouvés que la délétion était impliquée dans 0.7% des cas d'obésité morbide et était absente chez les contrôles sains (non-atteint d'obésité). Notre étude illustre l'importance des CNVs rares qui peuvent avoir un impact clinique très important. De plus, ceci permet d'envisager une alternative aux études d'associations pour améliorer notre compréhension de l'étiologie des maladies génétiques communes.Egalement, j'ai travaillé sur la détection d'altérations somatiques en nombres de copies (SCNA) et de leurs conséquences pour le cancer (chapitre 5). Ce projet fut une collaboration initiée par l'Institut Ludwig de Recherche contre le Cancer et impliquant l'Institut Suisse de Bioinformatique, le CHUV et les Universités de Lausanne et Genève. Je me suis concentré sur l'identification de gènes affectés par des SCNAs et avec une sur- ou sous-expression dans des lignées cellulaires dérivées de mélanomes métastatiques. Les données utilisées ont été générées par des puces ADN (CGH et SNP) et du séquençage à haut débit du transcriptome. Mes recherches ont montrées que peu de gènes sont récurrents entre les mélanomes, ce qui rend difficile l'interprétation des résultats. Pour contourner ces limitations, j'ai utilisé une analyse de réseaux pour définir si des réseaux de signalisations enrichis en gènes amplifiés ou perdus, étaient communs aux différents échantillons. En fait, parmi les 28 réseaux détectés, quatre réseaux sont potentiellement dérégulés chez six mélanomes, et six réseaux supplémentaires sont affectés chez cinq mélanomes. La validation de ces résultats avec deux larges jeux de données publiques, a confirmée tous ces réseaux sauf trois. Ceci démontre l'utilité de cette approche pour l'analyse de petits et de larges jeux de données.Résumé grand publicL'avènement de la biologie moléculaire, en particulier ces dix dernières années, a révolutionné la recherche en génétique médicale. Grâce à la disponibilité du génome humain de référence dès 2001, de nouvelles technologies telles que les puces à ADN sont apparues et ont permis d'étudier le génome dans son ensemble avec une résolution dite sous-microscopique jusque-là impossible par les techniques traditionnelles de cytogénétique. Un des exemples les plus importants est l'étude des variations structurales du génome, en particulier l'étude du nombre de copies des gènes. Il était établi dès 1959 avec l'identification de la trisomie 21 par le professeur Jérôme Lejeune que le gain d'un chromosome supplémentaire était à l'origine de syndrome génétique avec des répercussions graves pour la santé du patient. Ces observations ont également été réalisées en oncologie sur les cellules cancéreuses qui accumulent fréquemment des aberrations en nombre de copies (telles que la perte ou le gain d'un ou plusieurs chromosomes). Dès 2004, plusieurs groupes de recherches ont répertorié des changements en nombre de copies dans des individus provenant de la population générale (c'est-à-dire sans symptômes cliniques visibles). En 2006, le Dr. Richard Redon a établi la première carte de variation en nombre de copies dans la population générale. Ces découvertes ont démontrées que les variations dans le génome était fréquentes et que la plupart d'entre elles étaient bénignes, c'est-à-dire sans conséquence clinique pour la santé de l'individu. Ceci a suscité un très grand intérêt pour comprendre les variations naturelles entre individus mais aussi pour mieux appréhender la prédisposition génétique à certaines maladies.Lors de ma thèse, j'ai développé de nouveaux outils informatiques pour l'analyse de puces à ADN dans le but de cartographier ces variations à l'échelle génomique. J'ai utilisé ces outils pour établir les variations dans la population suisse et je me suis consacré par la suite à l'étude de facteurs pouvant expliquer la prédisposition aux maladies telles que l'obésité. Cette étude en collaboration avec le Centre Hospitalier Universitaire Vaudois a permis l'identification d'une délétion sur le chromosome 16 expliquant 0.7% des cas d'obésité morbide. Cette étude a plusieurs répercussions. Tout d'abord elle permet d'effectuer le diagnostique chez les enfants à naître afin de déterminer leur prédisposition à l'obésité. Ensuite ce locus implique une vingtaine de gènes. Ceci permet de formuler de nouvelles hypothèses de travail et d'orienter la recherche afin d'améliorer notre compréhension de la maladie et l'espoir de découvrir un nouveau traitement Enfin notre étude fournit une alternative aux études d'association génétique qui n'ont eu jusqu'à présent qu'un succès mitigé.Dans la dernière partie de ma thèse, je me suis intéressé à l'analyse des aberrations en nombre de copies dans le cancer. Mon choix s'est porté sur l'étude de mélanomes, impliqués dans le cancer de la peau. Le mélanome est une tumeur très agressive, elle est responsable de 80% des décès des cancers de la peau et est souvent résistante aux traitements utilisés en oncologie (chimiothérapie, radiothérapie). Dans le cadre d'une collaboration entre l'Institut Ludwig de Recherche contre le Cancer, l'Institut Suisse de Bioinformatique, le CHUV et les universités de Lausanne et Genève, nous avons séquencés l'exome (les gènes) et le transcriptome (l'expression des gènes) de sept mélanomes métastatiques, effectués des analyses du nombre de copies par des puces à ADN et des caryotypes. Mes travaux ont permis le développement de nouvelles méthodes d'analyses adaptées au cancer, d'établir la liste des réseaux de signalisation cellulaire affectés de façon récurrente chez le mélanome et d'identifier deux cibles thérapeutiques potentielles jusqu'alors ignorées dans les cancers de la peau.

Co- and posttranslational modification of the alpha(1B)-adrenergic receptor: effects on receptor expression and function.

We have characterized the maturation, co- and posttranslational modifications, and functional properties of the alpha(1B)-adrenergic receptor (AR) expressed in different mammalian cells transfected using conventional approaches or the Semliki Forest virus system. We found that the alpha(1B)-AR undergoes N-linked glycosylation as demonstrated by its sensitivity to endoglycosidases and by the effect of tunicamycin on receptor maturation. Pulse-chase labeling experiments in BHK-21 cells demonstrate that the alpha(1B)-AR is synthesized as a 70 kDa core glycosylated precursor that is converted to the 90 kDa mature form of the receptor with a half-time of approximately 2 h. N-Linked glycosylation of the alpha(1B)-AR occurs at four asparagines on the N-terminus of the receptor. Mutations of the N-linked glycosylation sites did not have a significant effect on receptor function or expression. Surprisingly, receptor mutants lacking N-linked glycosylation migrated as heterogeneous bands in SDS-PAGE. Our findings demonstrate that N-linked glycosylation and phosphorylation, but not palmitoylation or O-linked glycosylation, contribute to the structural heterogeneity of the alpha(1B)-AR as it is observed in SDS-PAGE. The modifications found are similar in the different mammalian expression systems explored. Our findings indicate that the Semliki Forest virus system can provide large amounts of functional and fully glycosylated alpha(1B)-AR protein suitable for biochemical and structural studies. The results of this study contribute to elucidate the basic steps involved in the processing of G protein-coupled receptors as well as to optimize strategies for their overexpression.

Use of constant denaturant capillary electrophoresis of pooled blood samples to identify single-nucleotide polymorphisms in the genes (Scnn1a and Scnn1b) encoding the alpha and beta subunits of the epithelial sodium channel.

BACKGROUND: The epithelial sodium channel (ENaC) is composed of three homologous subunits: alpha, beta, and gamma. Mutations in the Scnn1b and Scnn1g genes, which encode the beta and the gamma subunits of ENaC, cause a severe form of hypertension (Liddle syndrome). The contribution of genetic variants within the Scnn1a gene, which codes for the alpha subunit, has not been investigated. METHODS: We screened for mutations in the COOH termini of the alpha and beta subunits of ENaC. Blood from 184 individuals from 31 families participating in a study on the genetics of hypertension were analyzed. Exons 13 of Scnn1a and Scnn1b, which encode the second transmembrane segment and the COOH termini of alpha- and beta-ENaC, respectively, were amplified from pooled DNA samples of members of each family by PCR. Constant denaturant capillary electrophoresis (CDCE) was used to detect mutations in PCR products of the pooled DNA samples. RESULTS: The detection limit of CDCE for ENaC variants was 1%, indicating that all members of any family or up to 100 individuals can be analyzed in one CDCE run. CDCE profiles of the COOH terminus of alpha-ENaC in pooled family members showed that the 31 families belonged to four groups and identified families with genetic variants. Using this approach, we analyzed 31 rather than 184 samples. Individual CDCE analysis of members from families with different pooled CDCE profiles revealed five genotypes containing 1853G-->T and 1987A-->G polymorphisms. The presence of the mutations was confirmed by DNA sequencing. For the COOH terminus of beta-ENaC, only one family showed a different CDCE profile. Two members of this family (n = 5) were heterozygous at 1781C-->T (T594M). CONCLUSION: CDCE rapidly detects point mutations in these candidate disease genes.

Differential Dimerization of Variants Linked to Enhanced S-Cone Sensitivity Syndrome (ESCS) Located in the NR2E3 Ligand-Binding Domain.

NR2E3 encodes the photoreceptor-specific nuclear hormone receptor that acts as a repressor of cone-specific gene expression in rod photoreceptors, and as an activator of several rod-specific genes. Recessive variants located in the ligand-binding domain (LBD) of NR2E3 cause enhanced short wavelength sensitive- (S-) cone syndrome (ESCS), a retinal degeneration characterized by an excess of S-cones and non-functional rods. We analyzed the dimerization properties of NR2E3 and the effect of disease-causing LBD missense variants by bioluminescence resonance energy transfer (BRET(2) ) protein interaction assays. Homodimerization was not affected in presence of p.A256V, p.R039G, p.R311Q, and p.R334G variants, but abolished in presence of p.L263P, p.L336P, p.L353V, p.R385P, and p.M407K variants. Homology modeling predicted structural changes induced by NR2E3 LBD variants. NR2E3 LBD variants did not affect interaction with CRX, but with NRL and rev-erbα/NR1D1. CRX and NRL heterodimerized more efficiently together, than did either with NR2E3. NR2E3 did not heterodimerize with TLX/NR2E1 and RXRα/NR2C1. The identification of a new compound heterozygous patient with detectable rod function, who expressed solely the p.A256V variant protein, suggests a correlation between LBD variants able to form functional NR2E3 dimers and atypical mild forms of ESCS with residual rod function.

Comparison of accelerated T1-weighted whole-brain structural-imaging protocols.

Imaging in neuroscience, clinical research and pharmaceutical trials often employs the 3D magnetisation-prepared rapid gradient-echo (MPRAGE) sequence to obtain structural T1-weighted images with high spatial resolution of the human brain. Typical research and clinical routine MPRAGE protocols with ~1mm isotropic resolution require data acquisition time in the range of 5-10min and often use only moderate two-fold acceleration factor for parallel imaging. Recent advances in MRI hardware and acquisition methodology promise improved leverage of the MR signal and more benign artefact properties in particular when employing increased acceleration factors in clinical routine and research. In this study, we examined four variants of a four-fold-accelerated MPRAGE protocol (2D-GRAPPA, CAIPIRINHA, CAIPIRINHA elliptical, and segmented MPRAGE) and compared clinical readings, basic image quality metrics (SNR, CNR), and automated brain tissue segmentation for morphological assessments of brain structures. The results were benchmarked against a widely-used two-fold-accelerated 3T ADNI MPRAGE protocol that served as reference in this study. 22 healthy subjects (age=20-44yrs.) were imaged with all MPRAGE variants in a single session. An experienced reader rated all images of clinically useful image quality. CAIPIRINHA MPRAGE scans were perceived on average to be of identical value for reading as the reference ADNI-2 protocol. SNR and CNR measurements exhibited the theoretically expected performance at the four-fold acceleration. The results of this study demonstrate that the four-fold accelerated protocols introduce systematic biases in the segmentation results of some brain structures compared to the reference ADNI-2 protocol. Furthermore, results suggest that the increased noise levels in the accelerated protocols play an important role in introducing these biases, at least under the present study conditions.

Structural and functional properties of two human FXYD3 (Mat-8) isoforms.

Six of 7 FXYD proteins have been shown to be tissue-specific modulators of Na,K-ATPase. In this study, we have identified two splice variants of human FXYD3, or Mat-8, in CaCo-2 cells. Short human FXYD3 has 72% sequence identity with mouse FXYD3, whereas long human FXYD3 is identical to short human FXYD3 but has a 26-amino acid insertion after the transmembrane domain. Short and long human FXYD3 RNAs and proteins are differentially expressed during differentiation of CaCo-2 cells. Long human FXYD3 is mainly expressed in nondifferentiated cells and short human FXYD3 in differentiated cells and both FXYD3 variants can be co-immunoprecipitated with a Na,K-ATPase antibody. In contrast to mouse FXYD3, which has two transmembrane domains for lack of cleavage of the signal peptide, human FXYD3 has a cleavable signal peptide and adopts a type I topology. After co-expression in Xenopus oocytes, both human FXYD3 variants associate stably only with Na,K-ATPase isozymes but not with H,K-ATPase or Ca-ATPase. Similar to mouse FXYD3, short human FXYD3 decreases the apparent K(+) and Na(+) affinity of Na,K-ATPase over a large range of membrane potentials. On the other hand, long human FXYD3 decreases the apparent K(+) affinity only at slightly negative and positive membrane potentials and increases the apparent Na(+) affinity of Na,K-ATPase. Finally, both short and long human FXYD3 induce a hyperpolarization activated current, similar to that induced by mouse FXYD3. Thus, we have characterized two human FXYD3 isoforms that are differentially expressed in differentiated and non-differentiated cells and show different functional properties.

The Structural Basis for inorganic Pyrophosphatase Catalysis and Regulation

Inorganic pyrophosphatases (PPases) are essential enzymes for every living cell. PPases provide the necessary thermodynamic pull for many biosynthetic reactions by hydrolyzing pyrophosphate. There are two types of PPases: integral membrane-bound and soluble enzymes. The latter type is divided into two non-homologous protein families, I and II. Family I PPases are present in all kingdoms of life, whereas family II PPases are only found in prokaryotes, including archae. Family I PPases, particularly that from Saccharomyces cerevisiae, are among the most extensively characterized phosphoryl transfer enzymes. In the present study, we have solved the structures of wild-type and seven active site variants of S. cerevisiae PPase bound to its natural metal cofactor, magnesium ion. These structures have facilitated derivation of the complete enzyme reaction scheme for PPase, fulfilling structures of all the reaction intermediates. The main focus in this study was on a novel subfamily of family II PPases (CBSPPase) containing a large insert formed by two CBS domains and a DRTGG domain within the catalytic domain. The CBS domain (named after cystathionine beta-synthase in which it was initially identified) usually occurs as tandem pairs with two or four copies in many proteins in all kingdoms of life. The structure formed by a pair of CBS domains is also known as a Bateman domain. CBS domains function as regulatory units, with adenylate ligands as the main effectors. The DRTGG domain (designated based on its most conserved residues) occurs less frequently and only in prokaryotes. Often, the domain co-exists with CBS domains, but its function remains unknown. The key objective of the current study was to explore the structural rearrangements in the CBS domains induced by regulatory adenylate ligands and their functional consequences. Two CBS-PPases were investigated, one from Clostridium perfringens (cpCBS-PPase) containing both CBS and DRTGG domains in its regulatory region and the other from Moorella thermoacetica (mt CBS-PPase) lacking the DRTGG domain. We additionally constructed a separate regulatory region of cpCBS-PPase (cpCBS). Both full-length enzymes and cpCBS formed homodimers. Two structures of the regulatory region of cpCBS-PPase complexed with the inhibitor, AMP, and activator, diadenosine tetraphosphate, were solved. The structures were significantly different, providing information on the structural pathway from bound adenylates to the interface between the regulatory and catalytic parts. To our knowledge, these are the first reported structures of a regulated CBS enzyme, which reveal large conformational changes upon regulator binding. The activator-bound structure was more open, consistent with the different thermostabilities of the activator- and inhibitor-bound forms of cpCBS-PPase. The results of the functional studies on wild-type and variant CBS-PPases provide support for inferences made on the basis of structural analyses. Moreover, these findings indicate that CBS-PPase activity is highly sensitive to adenine nucleotide distribution between AMP, ADP and ATP, and hence to the energy level of the cell. CBS-PPase activity is markedly inhibited at low energy levels, allowing PPi energy to be used for cell survival instead of being converted into heat.

Characterisation of Human Neutral and Lysosomal alpha-Mannosidases

Neutral alpha-mannosidase and lysosomal MAN2B1 alpha-mannosidase belong to glycoside hydrolase family 38, which contains essential enzymes required for the modification and catabolism of asparagine-linked glycans on proteins. MAN2B1 catalyses lysosomal glycan degradation, while neutral α-mannosidase is most likely involved in the catabolism of cytosolic free oligosaccharides. These mannose containing saccharides are generated during glycosylation or released from misfolded glycoproteins, which are detected by quality control in the endoplasmic reticulum. To characterise the biological function of human neutral α-mannosidase, I cloned the alpha-mannosidase cDNA and recombinantly expressed the enzyme. The purified enzyme trimmed the putative natural substrate Man9GlcNAc to Man5GlcNAc, whereas the reducing end GlcNAc2 limited trimming to Man8GlcNAc2. Neutral α-mannosidase showed highest enzyme activity at neutral pH and was activated by the cations Fe₂+, Co2+ and Mn₂+, Cu2+ in turn had a strong inhibitory effect on alpha-mannosidase activity. Analysis of its intracellular localisation revealed that neutral alpha-mannosidase is cytosolic and colocalises with proteasomes. Further work showed that the overexpression of neutral alpha-mannosidase affected the cytosolic free oligosaccharide content and led to enhanced endoplasmic reticulum associated degradation and underglycosylation of secreted proteins. The second part of the study focused on MAN2B1 and the inherited lysosomal storage disorder α-mannosidosis. In this disorder, deficient MAN2B1 activity is associated with mutations in the MAN2B1 gene. The thesis reports the molecular consequences of 35 alpha-mannosidosis associated mutations, including 29 novel missense mutations. According to experimental analyses, the mutations fall into four groups: Mutations, which prevent transport to lysosomes are accompanied with a lack of proteolytic processing of the enzyme (groups 1 and 3). Although the rest of the mutations (groups 2 and 4) allow transport to lysosomes, the mutated proteins are less efficiently processed to their mature form than is wild type MAN2B1. Analysis of the effect of the mutations on the model structure of human lysosomal alpha-mannosidase provides insights on their structural consequences. Mutations, which affect amino acids important for folding (prolines, glycines, cysteines) or domain interface interactions (arginines), arrest the enzyme in the endoplasmic reticulum. Surface mutations and changes, which do not drastically alter residue volume, are tolerated better. Descriptions of the mutations and clinical data are compiled in an α-mannosidosis database, which will be available for the scientific community. This thesis provides a detailed insight into two ubiquitous human alpha-mannosidases. It demonstrates that neutral alpha-mannosidase is involved in the degradation of cytosolic oligosaccharides and suggests that the regulation of this α-mannosidase is important for maintaining the cellular homeostasis of N-glycosylation and glycan degradation. The study on alpha-mannosidosis associated mutations identifies multiple mechanisms for how these mutations are detrimental for MAN2B1 activity. The α-mannosidosis database will benefit both clinicians and scientific research on lysosomal alpha‑mannosidosis.

alpha-Tocopherol's Antioxidant Role: A Biophysical Perspective

I present evidence of an antioxidant mechanism for vitamin E that correlates strongly with its physical location in a model lipid bilayer. These data address the overlooked problem of the physical distance between the vitamin's reducing hydrogen and lipid acyl chain radicals. The combined data from neutron diffraction, NMR and UV spectroscopy experiments, all suggest that reduction of reactive oxygen species and lipid radicals occurs specifically at the membrane's hydrophobic-hydrophilic interface. The latter is possible when the acyl chain adopts conformations in which they snorkel to the interface from the hydrocarbon matrix. Moreover, not all model lipids are equal in this regard, as indicated by the small differences in the vitamin's location. The present result is a clear example of the importance of lipid diversity in controlling the dynamic structural properties of biological membranes. Importantly, these results suggest that measurements of alpha-tocopherol oxidation kinetics, and its products, should be revisited by taking into consideration the physical properties of the membrane in which the vitamin resides.

The Role of Second Generation Antiretroviral Drugs in HIV-1 Subtype B and non-B Variants Harboring Natural Polymorphisms and Drug Resistance Mutations.

Cette thèse traite de la résistance du VIH-1 aux antirétroviraux, en particulier de l'activité antivirale de plusieurs inhibiteurs non nucléosidiques de la transcriptase inverse (INNTI) ainsi que des inhibiteurs de protéase (IP). Nous avons exploré l’émergence et la spécificité des voies de mutations qui confèrent la résistance contre plusieurs nouveaux INNTI (étravirine (ETR) et rilpivirine (RPV)) (chapitres 2 et 3). En outre, le profil de résistance et le potentiel antirétroviral d'un nouvel IP, PL-100, est présenté dans les chapitres 4 et 5. Pour le premier projet, nous avons utilisé des sous-types B et non-B du VIH-1 pour sélectionner des virus résistants à ETR, et ainsi montré que ETR favorise l’émergence des mutations V90I, K101Q, E138K, V179D/E/F, Y181C, V189I, G190E, H221H/Y et M230L, et ce, en 18 semaines. Fait intéressant, E138K a été la première mutation à émerger dans la plupart des cas. Les clones viraux contenant E138K ont montré un faible niveau de résistance phénotypique à ETR (3,8 fois) et une diminution modeste de la capacité de réplication (2 fois) par rapport au virus de type sauvage. Nous avons également examiné les profils de résistance à ETR et RPV dans les virus contenant des mutations de résistance aux INNTI au début de la sélection. Dans le cas du virus de type sauvage et du virus contenant la mutation unique K103N, les premières mutations à apparaître en présence d’ETR ou de RPV ont été E138K ou E138G suivies d’autres mutations de résistance aux INNTI. À l’inverse, dans les mêmes conditions, le virus avec la mutation Y181C a évolué pour produire les mutations V179I/F ou A62V/A, mais pas E138K/G. L'ajout de mutations à la position 138 en présence de Y181C n'augmente pas les niveaux de résistance à ETR ou RPV. Nous avons également observé que la combinaison de Y181C et E138K peut conduire à un virus moins adapté par rapport au virus contenant uniquement Y181C. Sur la base de ces résultats, nous suggérons que les mutations Y181C et E138K peuvent être antagonistes. L’analyse de la résistance au PL-100 des virus de sous-type C et CRF01_AE dans les cellules en culture est décrite dans le chapitre 4. Le PL-100 sélectionne pour des mutations de résistance utilisant deux voies distinctes, l'une avec les mutations V82A et L90M et l'autre avec T80I, suivi de l’addition des mutations M46I/L, I54M, K55R, L76F, P81S et I85V. Une accumulation d'au moins trois mutations dans le rabat protéique et dans le site actif est requise dans chaque cas pour qu’un haut niveau de résistance soit atteint, ce qui démontre que le PL-100 dispose d'une barrière génétique élevée contre le développement de la résistance. Dans le chapitre 5, nous avons évalué le potentiel du PL-100 en tant qu’inhibiteur de protéase de deuxième génération. Les virus résistants au PL-100 émergent en 8-48 semaines alors qu’aucune mutation n’apparaît avec le darunavir (DRV) sur une période de 40 semaines. La modélisation moléculaire montre que la haute barrière génétique du DRV est due à de multiples interactions avec la protéase dont des liaison hydrogènes entre les groupes di-tétrahydrofuranne (THF) et les atomes d'oxygène des acides aminés A28, D29 et D30, tandis que la liaison de PL-100 est principalement basée sur des interactions polaires et hydrophobes délocalisées à travers ses groupes diphényle. Nos données suggèrent que les contacts de liaison hydrogène et le groupe di-THF dans le DRV, ainsi que le caractère hydrophobe du PL-100, contribuent à la liaison à la protéase ainsi qu’à la haute barrière génétique contre la résistance et que la refonte de la structure de PL-100 pour inclure un groupe di-THF pourrait améliorer l’activité antivirale et le profil de résistance.

Análisis del gen adra2a receptor alfa 2a adrenergico en pacientes con trastorno de hiperactividad y déficit de atención

El trastorno de hiperactividad y déficit de atención (THDA), es definido clínicamente como una alteración en el comportamiento, caracterizada por inatención, hiperactividad e impulsividad. Estos aspectos son clasificados en tres subtipos, que son: Inatento, hiperactivo impulsivo y mixto. Clínicamente se describe un espectro amplio que incluye desordenes académicos, trastornos de aprendizaje, déficit cognitivo, trastornos de conducta, personalidad antisocial, pobres relaciones interpersonales y aumento de la ansiedad, que pueden continuar hasta la adultez. A nivel global se ha estimado una prevalencia entre el 1% y el 22%, con amplias variaciones, dadas por la edad, procedencia y características sociales. En Colombia, se han realizado estudios en Bogotá y Antioquia, que han permitido establecer una prevalencia del 5% y 15%, respectivamente. La causa específica no ha sido totalmente esclarecida, sin embargo se ha calculado una heredabilidad cercana al 80% en algunas poblaciones, demostrando el papel fundamental de la genética en la etiología de la enfermedad. Los factores genéticos involucrados se relacionan con cambios neuroquímicos de los sistemas dopaminérgicos, serotoninérgicos y noradrenérgicos, particularmente en los sistemas frontales subcorticales, corteza cerebral prefrontal, en las regiones ventral, medial, dorsolateral y la porción anterior del cíngulo. Basados en los datos de estudios previos que sugieren una herencia poligénica multifactorial, se han realizado esfuerzos continuos en la búsqueda de genes candidatos, a través de diferentes estrategias. Particularmente los receptores Alfa 2 adrenérgicos, se encuentran en la corteza cerebral, cumpliendo funciones de asociación, memoria y es el sitio de acción de fármacos utilizados comúnmente en el tratamiento de este trastorno, siendo esta la principal evidencia de la asociación de este receptor con el desarrollo del THDA. Hasta la fecha se han descrito más de 80 polimorfismos en el gen (ADRA2A), algunos de los cuales se han asociado con la entidad. Sin embargo, los resultados son controversiales y varían según la metodología diagnóstica empleada y la población estudiada, antecedentes y comorbilidades. Este trabajo pretende establecer si las variaciones en la secuencia codificante del gen ADRA2A, podrían relacionarse con el fenotipo del Trastorno de Hiperactividad y el Déficit de Atención.

Estabilitat conformacional de variants de la ribonucleasa A: pressió i temperatura com a inductors dels desplegament proteic

A fi d'analitzar la contribució de la regió C-terminal proposada com a iniciadora del plegament (CFIS 106-118) a l'estabilitat de l'RNasa A, els residus alifàtics d'aquesta regió es van substituir, mitjançant mutagènesi dirigida, per altres residus en els quals la cadena lateral alifàtica era rogressivament escurçada. La major part de les substitucions projectades suposaven delecions no disruptives de grups metil(è). A més, es va reemplaçar la Tyr115 per un Trp, de manera que, potencialment, s'introduïa una única sonda fluorescent, no desestabilitzant, per tal de seguir els canvis conformacionals que es poguessin generar en la regió durant el procés de legament/desplegament de la proteïna. Tant els paràmetres cinètics, com els espectres d'FTIR i CD, determinats per cadascuna de les ribonucleases variants, indiquen que els reemplaçaments aminoacídics efectuats presenten, en general, poc o cap efecte en l'estructura nativa i en l'activitat de l'enzim. Es va emprar l'espectroscòpia d'absorció a l'ultraviolat de quarta derivada, la fluorescència (per la variant amb Trp) i l'espectroscòpia d'infraroig per transformada de Fourier, per tal de seguir i caracteritzar, en condicions d'equilibri, les transicions conformacionals de cada variant en funció de la pressió i de la temperatura. Els resultats es van comparar amb els que es van obtenir per la proteïna salvatge. Per determinar més a fons les característiques del procés de desplegament de la variant Y115W, les transicions de desnaturalització induïdes per urea d'aquesta variant i de la proteïna salvatge, van ésser examinades per mitjà d'electroforesi en gradient d'urea i espectroscòpia de fluorescència. Curiosament, els canvis conformacionals que resulten de la desnaturalització per pressió són molt semblants als que s'obtenen per temperatura. Enfront d'un augment gradual tant de pressió com de temperatura, l'estructura terciària i els elements d'estructura secundària de les proteïnes estudiades es perden de manera conjunta i reversible. Aquestes variacions estructurals que es promouen descriuen un procés de desplegament molt cooperatiu i en dos estats. Atès que ambdues tècniques (UV i FTIR) utilitzen cadascuna un règim de concentració proteica molt diferent, els resultats indiquen que el procés de desplegament per pressió i per temperatura és intramolecular. Els resultats obtinguts suggereixen que la hidrofobicitat i el volum de les cadenes laterals del CFIS, juntament amb les interaccions de van der Waals entre elements d'estructura secundària intervenen de manera molt notable en l'estabilització de la proteïna. Entre els diferents aminoàcids alifàtics que pertanyen al CFIS C-terminal, la Val108 és el residu més important per tal de preservar la integritat estructural de l'estat natiu. Els reemplaçaments en aquesta posició causen petites alteracions conformacionals i una gran desestabilització de la proteïna (per exemple, el punt mig de la transició de desnaturalització per pressió i per temperatura de la variant V108G disminueix uns 592 MPa i 25ºC, respectivament, respecte a la proteïna salvatge). D'acord amb els resultats obtinguts, la variant Y115W ofereix una sonda útil per tal de seguir la cinètica de plegament/desplegament de l'RNasa A.