RNA recurrent motifs : identification and characterization

La détermination de la structure tertiaire du ribosome fut une étape importante dans la compréhension du mécanisme de la synthèse des protéines. Par contre, l’élucidation de la structure du ribosome comme tel ne permet pas une compréhension de sa fonction. Pour mieux comprendre la nature des relations entre la structure et la fonction du ribosome, sa structure doit être étudiée de manière systématique. Au cours des dernières années, nous avons entrepris une démarche systématique afin d’identifier et de caractériser de nouveaux motifs structuraux qui existent dans la structure du ribosome et d’autres molécules contenant de l’ARN. L’analyse de plusieurs exemples d’empaquetage de deux hélices d’ARN dans la structure du ribosome nous a permis d’identifier un nouveau motif structural, nommé « G-ribo ». Dans ce motif, l’interaction d’une guanosine dans une hélice avec le ribose d’un nucléotide d’une autre hélice donne naissance à un réseau d’interactions complexes entre les nucléotides voisins. Le motif G-ribo est retrouvé à 8 endroits dans la structure du ribosome. La structure du G-ribo possède certaines particularités qui lui permettent de favoriser la formation d’un certain type de pseudo-nœuds dans le ribosome. L’analyse systématique de la structure du ribosome et de la ARNase P a permis d’identifier un autre motif structural, nommé « DTJ » ou « Double-Twist Joint motif ». Ce motif est formé de trois courtes hélices qui s’empilent l’une sur l’autre. Dans la zone de contact entre chaque paire d’hélices, deux paires de bases consécutives sont surenroulées par rapport à deux paires de bases consécutives retrouvées dans l’ARN de forme A. Un nucléotide d’une paire de bases est toujours connecté directement à un nucléotide de la paire de bases surenroulée, tandis que les nucléotides opposés sont connectés par un ou plusieurs nucléotides non appariés. L’introduction d’un surenroulement entre deux paires de bases consécutives brise l’empilement entre les nucléotides et déstabilise l’hélice d’ARN. Dans le motif DTJ, les nucléotides non appariés qui lient les deux paires de bases surenroulées interagissent avec une des trois hélices qui forment le motif, offrant ainsi une stratégie élégante de stabilisation de l’arrangement. Pour déterminer les contraintes de séquences imposées sur la structure tertiaire d’un motif récurrent dans le ribosome, nous avons développé une nouvelle approche expérimentale. Nous avons introduit des librairies combinatoires de certains nucléotides retrouvés dans des motifs particuliers du ribosome. Suite à l’analyse des séquences alternatives sélectionnées in vivo pour différents représentants d’un motif, nous avons été en mesure d’identifier les contraintes responsables de l’intégrité d’un motif et celles responsables d’interactions avec les éléments qui forment le contexte structural du motif. Les résultats présentés dans cette thèse élargissent considérablement notre compréhension des principes de formation de la structure d’ARN et apportent une nouvelle façon d’identifier et de caractériser de nouveaux motifs structuraux d’ARN.

La RNase P mitochondriale chez Neurospora crassa

Résumé La Ribonucléase P (RNase P) est une enzyme principalement reconnue pour sa participation à la maturation en 5’des ARN de transfert (ARNt). Cependant, d’autres substrats sont reconnus par l’enzyme. En général, la RNase P est composée d’une sous-unité ARN (le P-ARN, codé par le gène rnpB) qui porte le centre actif de l’enzyme et d’une ou de plusieurs sous-unités protéiques (la P-protéine). Les P-ARN chez toutes les bactéries, la majorité des archéobactéries et dans le génome nucléaire de la plupart des eucaryotes, possèdent généralement une structure secondaire très conservée qui inclut le noyau (P1-P4); l’hélice P4 constitue le site catalytique de l’enzyme et l’hélice P1 apparie les extrémités du P-ARN en stabilisant sa structure globale. Les P-ARN mitochondriaux sont souvent moins conservés et difficiles à découvrir. Dans certains cas, les seules régions de structure primaire qui restent conservées sont celles qui définissent le P4 et le P1. Pour la détection des gènes rnpB, un outil de recherche bioinformatique, basé sur la séquence et le profil de structure secondaire, a été développé dans le laboratoire. Cet outil permet le dépistage de toutes les séquences eucaryotes (nucléaires et mitochondriales) du gène avec une très grande confiance (basée sur une valeur statistique, E-value). Chez les champignons, plusieurs ascomycètes encodent un gène rnpB dans leur génome mitochondrial y compris tous les membres du genre d’Aspergillus. Cependant, chez les espèces voisines, Neurospora crassa, Podospora anserina et Sordaria macrospora, une version mitochondriale de ce gène n’existe pas. Au lieu de cela, elles contiennent deux copies nucléaires du gène, légèrement différentes en taille et en contenu nucléotidique. Mon projet a été établi dans le but d’éclaircir l’évolution de la RNase P mitochondriale (mtRNase P) chez ces trois espèces voisines d’Aspergillus. En ce qui concerne les résultats, des modèles de structures secondaires pour les transcrits de ces gènes ont été construits en se basant sur la structure consensus universelle de la sous-unité ARN de la RNase P. Pour les trois espèces, par la comparaison de ces modèles, nous avons établi que les deux copies nucléaires du gène rnpB sont assez distinctes en séquence et en structure pour pouvoir y penser à une spécialisation de fonction de la RNase P. Chez N. crassa, les deux P-ARN sont modifiés probablement par une coiffe et les extrémités 5’, 3’ sont conformes à nos modèles, ayant un P1 allongé. Encore chez N. crassa, nous avons constaté que les deux copies sont transcrites au même niveau dans le cytoplasme et que la plus petite et la plus stable d’entre elles (Nc1) se retrouve dans l’extrait matriciel mitochondrial. Lors du suivi du P-ARN dans diverses sous-fractions provenant de la matrice mitochondriale soluble, Nc1 est associée avec l’activité de la RNase P. La caractérisation du complexe protéique, isolé à partir de la fraction active sur un gel non dénaturant, révèle qu’il contient au moins 87 protéines, 73 d’entre elles ayant déjà une localisation mitochondriale connue. Comme chez la levure, les protéines de ce complexe sont impliquées dans plusieurs fonctions cellulaires comme le processing de l’ADN/ARN, le métabolisme, dans la traduction et d’autres (par exemple : la protéolyse et le repliement des protéines, ainsi que la maintenance du génome mitochondrial). Pour trois protéines, leur fonction est non déterminée.

Structural rules for the formation of backbone-backbone interactions between closely packed RNA double helices

Les interactions entre les squelettes sucre-phosphate de nucléotides jouent un rôle important dans la stabilisation des structures tertiaires de larges molécules d’ARN. Elles sont régies par des règles particulières qui gouverne leur formation mais qui jusque là demeure quasiment inconnues. Un élément structural d’ARN pour lequel les interactions sucre-phosphate sont importantes est le motif d’empaquetage de deux doubles hélices d’ARN le long du sillon mineur. Ce motif se trouve à divers endroits dans la structure du ribosome. Il consiste en deux doubles hélices interagissant de manière à ce que le squelette sucre-phosphate de l’une se niche dans le sillon mineur de l’autre et vice versa. La surface de contact entre les deux hélices est majoritairement formée par les riboses et implique au total douze nucléotides. La présente thèse a pour but d’analyser la structure interne de ce motif et sa dépendance de stabilité résultant de l’association optimale ou non des hélices, selon leurs séquences nucléotidiques. Il est démontré dans cette thèse qu’un positionnement approprié des riboses leur permet de former des contacts inter-hélices, par l’entremise d’un choix particulier de l’identité des pairs de bases impliquées. Pour différentes pairs de bases participant à ce contact inter-hélices, l’identité optimale peut être du type Watson-Crick, GC/CG, or certaines pairs de bases non Watson-Crick. Le choix adéquat de paires de bases fournit une interaction inter-hélice stable. Dans quelques cas du motif, l’identité de certaines paires de bases ne correspond pas à la structure la plus stable, ce qui pourrait refléter le fait que ces motifs devraient avoir une liberté de formation et de déformation lors du fonctionnement du ribosome.

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.

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

Evaluation of Quantitative RT-PCR Using Nonamplified and Amplified RNA

Quantitative reverse-transcription polymerase chain reaction (qRT-PCR) is a standard assay in molecular medicine for gene expression analysis. Samples from incisional/needle biopsies, laser-microdissected tumor cells and other biologic sources, normally available in clinical cancer studies, generate very small amounts of RNA that are restrictive for expression analysis. As a consequence, an RNA amplification procedure is required to assess the gene expression levels of such sample types. The reproducibility and accuracy of relative gene expression data produced by sensitive methodology as qRT-PCR when cDNA converted from amplified (A) RNA is used as template has not yet been properly addressed. In this study, to properly evaluate this issue, we performed 1 round of linear RNA amplification in 2 breast cell lines (C5.2 and HB4a) and assessed the relative expression of 34 genes using cDNA converted from both nonamplified (NA) and A RNA. Relative gene expression was obtained from beta actin or glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase normalized data using different dilutions of cDNA, wherein the variability and fold-change differences in the expression of the 2 methods were compared. Our data showed that 1 round of linear RNA amplification, even with suboptimal-quality RNA, is appropriate to generate reproducible and high-fidelity qRT-PCR relative expression data that have similar confidence levels as those from NA samples. The use of cDNA that is converted from both A and NA RNA in a single qRT-PCR experiment clearly creates bias in relative gene expression data.

Small bowel injury associated to allergy is triggered by platelet-activating factor, mast cells, neutrophils and protected by nitric oxide

Allergy to components of the diet is followed by gut inflammation which in children, sometimes progress to mucosal lesions and anaphylaxis. In newborns suffering of cow`s milk allergy, bloody stools, rectal. bleeding and ulcerations are found. The rat systemic anaphylaxis is a suitable model to study the intestinal lesions associated to allergy. In the present study we used this model to investigate some mechanisms involved. We found that 15 min after antigen challenge of sensitized rats, hemorrhagic lesions develop in the small intestine. The lesions were more severe in jejunum and ileum compared to duodenum. Pretreatment of the rats with a platelet-activating factor-receptor antagonist (WEB-2170) reduced the lesions whereas inhibition of endogenous nitric oxide by L-NAME, greatly increased the hemorrhagic lesions and mortality. Both, lesions and mortality were reversed by L-arginine. The hemorrhagic lesions were also significantly reduced by the mast cell stabilizers, disodium cromoglycate and ketotifen as well as by neutrophils depletion (with anti-PMN antibodies) or inhibition of selectin binding (by treatment with fucoidan). Thus, the intestinal hemorrhagic lesions in this model are dependent on ptatelet-activating factor, mast cell granule-derived mediators and neutrophils. Endogenous nitric oxide and supplementation with L-arginine has a protective role, reducing the lesions and preventing mortality. These results contributed to elucidate mechanisms involved in intestinal lesions which could be of relevance to human small bowel injury associated to allergy. (c) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

DGGE with genomic DNA: Suitable for detection of numerically important organisms but not for identification of the most abundant organisms

Identification of all important community members as well as of the numerically dominant members of a community are key aspects of microbial community analysis of bioreactor samples. A systematic study was conducted with artificial consortia to test whether denaturing gradient gel electrophoresis (DGCE) is a reliable technique to obtain such community data under conditions where results would not be affected by differences in DNA extraction efficiency from cells. A total of 27 consortia were established by mixing DNA extracted from Escherichia coli K12, Burkholderia cepacia and Stenotrophomonas maltophilia in different proportions. Concentrations of DNA of single organisms in the consortia were either 0.04, 0.4 or 4 ng/mu l. DGGE-PCR of genomic DNA with primer sets targeted at the V3 and V6-V8 regions of the 16S rDNA failed to detect the three community members in only 7% of consortia, but provided incorrect information about dominance or co-dominance for 85% and 89% of consortia with the primer sets for the V6-V8 and V3 regions, respectively. The high failure rate in detection of dominant B. cepacia with the primers for the V6-V8 region was attributable to a single nucleoticle primer mismatch in the target sequences of both, the forward and reverse primer. Amplification bias in PCR of E. coli and S. maltophilia for the V6-V8 region and for all three organisms for the V3 region occurred due to interference of genomic DNA in PCR-DGGE, since a nested PCR approach, where PCR-DGGE was started from mixtures of 16S rRNA genes of the organisms, provided correct information about the relative abundance of original DNA in the sample. Multiple bands were not observed in pure culture amplicons produced with the V6-V8 primer pair, but pure culture V3 DGGE profiles of E. coli, S. maltophilia and B. cepacia contained 5, 3 and 3 bands, respectively. These results demonstrate DGGE was suitable for identification of all important community members in the three-membered artificial consortium, but not for identification of the dominant organisms in this small community. Multiple DGGE bands obtained for single organisms with the V3 primer pair could greatly confound interpretation of DGGE profiles. (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Trypanosoma cruzi maxicircle heterogeneity in Chagas disease patients from Brazil

The majority of individuals in the chronic phase of Chagas disease are asymptomatic (indeterminate form, IF). Each year, similar to 3% of them develop lesions in the heart or gastrointestinal tract. Cardiomyopathy (CCHD) is the most severe manifestation of Chagas disease. The factors that determine the outcome of the infection are unknown, but certainly depend on complex interactions amongst the genetic make-up of the parasite, the host immunogenetic background and environment. In a previous study we verified that the maxicircle gene NADH dehydrogenase (mitochondrial complex 1) subunit 7 (ND7) from IF isolates had a 455 bp deletion compared with the wild type (WT) ND7 gene from CCHD strains. We proposed that ND7 could constitute a valuable target for PCR assays in the differential diagnosis of the infective strain. In the present study we evaluated this hypothesis by examination of ND7 structure in parasites from 75 patients with defined pathologies, from Southeast Brazil. We also analysed the structure of additional mitochondrial genes (ND4/CR4, COIII and COII) since the maxicircle is used for clustering Trypanosoma cruzi strains into three clades/haplogroups. We conclude that maxicircle genes do not discriminate parasite populations which induce IF or CCHD forms. Interestingly, the great majority of the analysed isolates belong to T cruzi 11 (discrete typing unit, (DTU) IIb) genotype. This scenario is at variance with the prevalence of hybrid (DTU IId) human isolates in Bolivia, Chile and Argentina. The distribution of WT and deleted ND7 and ND4 genes in T cruzi strains suggests that mutations in the two genes occurred in different ancestrals in the T cruzi 11 cluster, allowing the identification of at least three mitochondrial sub-lineages within this group. The observation that T. cruzi strains accumulate mutations in several genes coding for complex I subunits favours the hypothesis that complex I may have a limited activity in this parasite. (C) 2009 Australian Society for Parasitology Inc. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Insights into the mechanism of progressive RNA degradation by the archaeal exosome

Initially identified in yeast, the exosome has emerged as a central component of the RNA maturation and degradation machinery both in Archaea and eukaryotes. Here we describe a series of high-resolution structures of the RNase PH ring from the Pyrococcus abyssi exosome, one of them containing three 10-mer RNA strands within the exosome catalytic chamber, and report additional nucleotide interactions involving positions N5 and N7. Residues from all three Rrp41-Rrp42 heterodimers interact with a single RNA molecule, providing evidence for the functional relevance of exosome ring-like assembly in RNA processivity. Furthermore, an ADP-bound structure showed a rearrangement of nucleotide interactions at site N1, suggesting a rationale for the elimination of nucleoside diphosphate after catalysis. In combination with RNA degradation assays performed with mutants of key amino acid residues, the structural data presented here provide support for a model of exosome-mediated RNA degradation that integrates the events involving catalytic cleavage, product elimination, and RNA translocation. Finally, comparisons between the archaeal and human exosome structures provide a possible explanation for the eukaryotic exosome inability to catalyze phosphate-dependent RNA degradation.

Structure, Dynamics, and RNA Interaction Analysis of the Human SBDS Protein

Shwachman-Bodian-Diamond syndrome is an autosomal recessive genetic syndrome with pleiotropic phenotypes, including pancreatic deficiencies, bone marrow dysfunctions with increased risk of myelodysplasia or leukemia, and skeletal abnormalities. This syndrome has been associated with mutations in the SBDS gene, which encodes a conserved protein showing orthologs in Archaea and eukaryotes. The Shwachman-Bodian-Diamond syndrome pleiotropic phenotypes may be an indication of different cell type requirements for a fully functional SBDS protein. RNA-binding activity has been predicted for archaeal and yeast SBDS orthologs, with the latter also being implicated in ribosome biogenesis. However, full-length SBDS orthologs function in a species-specific manner, indicating that the knowledge obtained from model systems may be of limited use in understanding major unresolved issues regarding SBDS function, namely, the effect of mutations in human SBDS on its biochemical function and the specificity of RNA interaction. We determined the solution structure and backbone dynamics of the human SBDS protein and describe its RNA binding site using NMR spectroscopy. Similarly to the crystal structures of Archaea, the overall structure of human SBDS comprises three well-folded domains. However, significant conformational exchange was observed in NMR dynamics experiments for the flexible linker between the N-terminal domain and the central domain, and these experiments also reflect the relative motions of the domains. RNA titrations monitored by heteronuclear correlation experiments and chemical shift mapping analysis identified a classic RNA binding site at the N-terminal FYSH (fungal, Yhr087wp, Shwachman) domain that concentrates most of the mutations described for the human SBDS. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Genetic diversity and antifungal susceptibility testing of Trichosporon asahii isolated of Intensive Care Units patients

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

New insights into trypanosomatid U5 small nuclear ribonucleoproteins

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

5S rDNA chromosomal mapping and COI sequence analysis reveal differentiation among distinct populations of a characid fish Serrapinnus notomelas

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Restriction fragment analysis of the ribosomal DNA of Paratelmatobius and Scythrophrys species (Anura, Leptodactylidae)

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)