Interaction of echinomycin with guanine: electrochemistry and spectroscopy studies

The interaction of antitumor antibiotic, echinomycin (Echi) with guanine (Gua) was thoroughly investigated by adsorptive transfer stripping cyclic voltammetry, ultraviolet and visible adsorption spectra (UV/Vis) and Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR). Electrochemistry provided a simple tool for verifying the occurrence of interaction between Echi and Gua. Echi could be accumulated from the solution and give well-defined electrochemical signals in 0.1 M phosphate buffer solution (pH 7.0) only when Gua was present on the surface of the electrochemically pretreated glass carbon electrode (GCE), suggesting a strong binding of Echi to Gua. All the acquired spectral data showed that a new adduct between Echi and Gua was formed, and two pairs of adjacent intermolecular hydrogen bonds between the Ala backbone atoms in Echi and Gua (Ala-NH to Gua-N3 and Gua-NH2 to Ala-CO) played a dominating role in the interaction. Electrochemistry coupled with spectroscopy techniques could provide a relatively easy way to obtain useful insights into the molecular mechanism of drug-DNA interactions, which should be important in the development of new anticancer drugs with specific base recognition.

Explicit DNase sequence bias modeling enables high-resolution transcription factor footprint detection.

DNaseI footprinting is an established assay for identifying transcription factor (TF)-DNA interactions with single base pair resolution. High-throughput DNase-seq assays have recently been used to detect in vivo DNase footprints across the genome. Multiple computational approaches have been developed to identify DNase-seq footprints as predictors of TF binding. However, recent studies have pointed to a substantial cleavage bias of DNase and its negative impact on predictive performance of footprinting. To assess the potential for using DNase-seq to identify individual binding sites, we performed DNase-seq on deproteinized genomic DNA and determined sequence cleavage bias. This allowed us to build bias corrected and TF-specific footprint models. The predictive performance of these models demonstrated that predicted footprints corresponded to high-confidence TF-DNA interactions. DNase-seq footprints were absent under a fraction of ChIP-seq peaks, which we show to be indicative of weaker binding, indirect TF-DNA interactions or possible ChIP artifacts. The modeling approach was also able to detect variation in the consensus motifs that TFs bind to. Finally, cell type specific footprints were detected within DNase hypersensitive sites that are present in multiple cell types, further supporting that footprints can identify changes in TF binding that are not detectable using other strategies.

Paracetamol-Loaded Poly(ε-caprolactone) Layered Silicate Nanocomposites

The work described in this paper demonstrates a combined novel approach to the preparation of drug loaded poly(e-caprolactone) layered silicate nanocomposites using hot melt extrusion, a continuous process in contrast to the normal batch type processing used to prepare polymeric drug delivery systems, and most significantly the use of high surface area, large aspect ratio inorganic nanoplatelets to retard drug release. The methodology and results described in this article are significant and could equally be applied to the controlled/retarded release of any bio-active molecule (pharmaceutical, nutraceutical, protein, DNA/iRNA, anti-microbial, anti-coagulant, etc.) from biopolymers and the production of medical devices from such composite materials.

TRARESA: a tissue microarray-based hospital system for biomarker validation and discovery

Formalin fixed and paraffin embedded tissue (FFPE) collections in pathology departments are the largest resource for retrospective biomedical research studies. Based on the literature analysis of FFPE related research, as well as our own technical validation, we present the Translational Research Arrays (TRARESA), a tissue microarray centred, hospital based, translational research conceptual framework for both validation and/or discovery of novel biomarkers. TRARESA incorporates the analysis of protein, DNA and RNA in the same samples, correlating with clinical and pathological parameters from each case, and allowing (a) the confirmation of new biomarkers, disease hypotheses and drug targets, and (b) the postulation of novel hypotheses on disease mechanisms and drug targets based on known biomarkers. While presenting TRARESA, we illustrate the use of such a comprehensive approach. The conceptualisation of the role of FFPE-based studies in translational research allows the utilisation of this commodity, and adds to the hypothesis-generating armamentarium of existing high-throughput technologies.

Molecular and clinicopathological markers of prognosis in breast cancer

A vast body of research in breast cancer prognostication has accumulated. Yet despite this, patients within current prognostic categories may have significantly different outcomes. There is a need to more accurately divide those cancer types associated with an excellent prognosis from those requiring more aggressive therapy. Gene expression array studies have revealed the numerous molecular breast cancer subtypes that are associated with differing outcomes. Furthermore, as next generation technologies evolve and further reveal the complexities of breast cancer, it is likely that existing prognostic approaches will become progressively refined. Future prognostication in breast cancer requires a morphomolecular, multifaceted approach involving the assessment of anatomical disease extent and levels of protein, DNA and RNA expression. One of the major challenges in prognostication will be the integration of potential assays into existing clinical systems and identification of appropriate patient subgroups for analysis.

Epigenetic and cell cycle control of centromere inheritance

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

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.

Développements et applications de méthodes computationnelles pour l'étude de l'agrégation des protéines amyloïdes

Les protéines sont au coeur de la vie. Ce sont d'incroyables nanomachines moléculaires spécialisées et améliorées par des millions d'années d'évolution pour des fonctions bien définies dans la cellule. La structure des protéines, c'est-à-dire l'arrangement tridimensionnel de leurs atomes, est intimement liée à leurs fonctions. L'absence apparente de structure pour certaines protéines est aussi de plus en plus reconnue comme étant tout aussi cruciale. Les protéines amyloïdes en sont un exemple marquant : elles adoptent un ensemble de structures variées difficilement observables expérimentalement qui sont associées à des maladies neurodégénératives. Cette thèse, dans un premier temps, porte sur l'étude structurelle des protéines amyloïdes bêta-amyloïde (Alzheimer) et huntingtine (Huntington) lors de leur processus de repliement et d'auto-assemblage. Les résultats obtenus permettent de décrire avec une résolution atomique les interactions des ensembles structurels de ces deux protéines. Concernant la protéine bêta-amyloïde (AB), nos résultats identifient des différences structurelles significatives entre trois de ses formes physiologiques durant ses premières étapes d'auto-assemblage en environnement aqueux. Nous avons ensuite comparé ces résultats avec ceux obtenus au cours des dernières années par d'autres groupes de recherche avec des protocoles expérimentaux et de simulations variés. Des tendances claires émergent de notre comparaison quant à l'influence de la forme physiologique de AB sur son ensemble structurel durant ses premières étapes d'auto-assemblage. L'identification des propriétés structurelles différentes rationalise l'origine de leurs propriétés d'agrégation distinctes. Par ailleurs, l'identification des propriétés structurelles communes offrent des cibles potentielles pour des agents thérapeutiques empêchant la formation des oligomères responsables de la neurotoxicité. Concernant la protéine huntingtine, nous avons élucidé l'ensemble structurel de sa région fonctionnelle située à son N-terminal en environnement aqueux et membranaire. En accord avec les données expérimentales disponibles, nos résultats sur son repliement en environnement aqueux révèlent les interactions dominantes ainsi que l'influence sur celles-ci des régions adjacentes à la région fonctionnelle. Nous avons aussi caractérisé la stabilité et la croissance de structures nanotubulaires qui sont des candidats potentiels aux chemins d'auto-assemblage de la région amyloïde de huntingtine. Par ailleurs, nous avons également élaboré, avec un groupe d'expérimentateurs, un modèle détaillé illustrant les principales interactions responsables du rôle d'ancre membranaire de la région N-terminal, qui sert à contrôler la localisation de huntingtine dans la cellule. Dans un deuxième temps, cette thèse porte sur le raffinement d'un modèle gros-grain (sOPEP) et sur le développement d'un nouveau modèle tout-atome (aaOPEP) qui sont tous deux basés sur le champ de force gros-grain OPEP, couramment utilisé pour l'étude du repliement des protéines et de l'agrégation des protéines amyloïdes. L'optimisation de ces modèles a été effectuée dans le but d'améliorer les prédictions de novo de la structure de peptides par la méthode PEP-FOLD. Par ailleurs, les modèles OPEP, sOPEP et aaOPEP ont été inclus dans un nouveau code de dynamique moléculaire très flexible afin de grandement simplifier leurs développements futurs.

Immersive Projection for biochemical pattern matching

In all biological processes, protein molecules and other small molecules interact to function and form transient macromolecular complexes. This interaction of two or more molecules can be described by a docking event. Docking is an important phase for structure-based drug design strategies, as it can be used as a method to simulate protein-ligand interactions. Various docking programs exist that allow automated docking, but most of them have limited visualization and user interaction. It would be advantageous if scientists could visualize the molecules participating in the docking process, manipulate their structures and manually dock them before submitting the new conformations to an automated docking process in an immersive environment, which can help stimulate the design/docking process. This also could greatly reduce docking time and resources. To achieve this, we propose a new virtual modelling/docking program, whereby the advantages of virtual modelling programs and the efficiency of the algorithms in existing docking programs will be merged.

Molecular dynamics simulations of proteins: can the explicit water model be varied?

In molecular mechanics simulations of biological systems, the solvation water is typically represented by a default water model which is an integral part of the force field. Indeed, protein nonbonding parameters are chosen in order to obtain a balance between water-water and protein-water interactions and hence a reliable description of protein solvation. However, less attention has been paid to the question of whether the water model provides a reliable description of the water properties under the chosen simulation conditions, for which more accurate water models often exist. Here we consider the case of the CHARMM protein force field, which was parametrized for use with a modified TIP3P model. Using quantum mechanical and molecular mechanical calculations, we investigate whether the CHARMM force field can be used with other water models: TIP4P and TIP5P. Solvation properties of N-methylacetamide (NMA), other small solute molecules, and a small protein are examined. The results indicate differences in binding energies and minimum energy geometries, especially for TIP5P, but the overall description of solvation is found to be similar for all models tested. The results provide an indication that molecular mechanics simulations with the CHARMM force field can be performed with water models other than TIP3P, thus enabling an improved description of the solvent water properties.

Crystallographic Structure of Phosphofructokinase-2 from Escherichia coli in Complex with Two ATP Molecules. Implications for Substrate Inhibition

Phosphofructokinase-1 and -2 (Pfk-1 and Pfk-2, respectively) from Escherichia coli belong to different homologous superfamilies. However, in spite of the lack of a common ancestor, they share the ability to catalyze the same reaction and are inhibited by the substrate MgATP. Pfk-2, an ATP-dependent 6-phosphofructokinase member of the ribokinase-like superfamily, is a homodimer of 66 kDa subunits whose oligomerization state is necessary for catalysis and stability. The presence of MgATP favors the tetrameric form of the enzyme. In this work, we describe the structure of Pfk-2 in its inhibited tetrameric form, with each subunit bound to two ATP molecules and two Mg ions. The present structure indicates that substrate inhibition occurs due to the sequential binding of two MgATP molecules per subunit, the first at the usual site occupied by the nucleotide in homologous enzymes and the second at the allosteric site, making a number of direct and Mg-mediated interactions with the first. Two configurations are observed for the second MgATP, one of which involves interactions with Tyr23 from the adjacent subunit in the dimer and the other making an unusual non-Watson-Crick base pairing with the adenine in the substrate ATP. The oligomeric state observed in the crystal is tetrameric, and some of the structural elements involved in the binding of the Substrate and allosteric ATPs are also participating in the dimer-dimer interface. This structure also provides the grounds to compare analogous features of the nonhomologous phosphofructokinases from E. coli. (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Towards the prediction of essential genes by integration of network topology, cellular localization and biological process information

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

Leishmania amazonensis: Partial purification and study of the biochemical properties of the telomerase reverse transcriptase activity from promastigote-stage

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

Effects of short-term physical training on the liver IGF-I in diabetic rats

To investigate the influence of short-term physical training on IGF-I concentrations in diabetic rats, male wistar rats were distributed into four groups: sedentary control, trained control, sedentary diabetic and trained diabetic. Diabetes was induced by Alloxan (32 mg/kg b.w.) and training protocol consisted of swimming 1 h/day, 5 days/week, during 4 weeks, supporting 5% b.w. At the end of this period, rats were sacrificed and blood was collected for determinations of serum glucose, insulin, albumin, IGF-I and hematocrit. Liver samples were used to determine glycogen, protein, DNA and IGF-I concentrations. Diabetes reduced insulin and IGF-I concentrations in blood and liver protein, ratio protein/DNA and IGF-I concentrations in liver and increased glycemia. Physical training reduced serum glucose and recovered hepatic glycogen stores in diabetic rats and reduced serum and liver IGF-I concentrations. In conclusion, short-term physical training improved the metabolic conditions of diabetic rats, despite of impairing liver and blood IGF-I concentrations.