" Leishmania major " metacaspase in programmed cell death

Abstract: The human protozoan parasite Leishmania major has been shown to exhibit several morphological and biochemical features characteristic of a programmed cell death (PCD) when differentiating into infectious stages and under a variety of stress conditions. In mammalian cells, the principal effector molecules of PCD or apoptosis are caspases. Although some caspase-like peptidase activity has been reported in dying parasites, no caspase gene is present in the L. major genome. However, a single metacaspase gene is present in L. major whose encoded protein harbors the predicted secondary structure and the catalytic dyad histidine/cysteine described for caspases and other metacaspases identified in plants and yeast. Metacaspases are also present in other protozoan parasites such as Trypanosoma and Plasmodium species and are not present in mammalian cells, which make them a possible drug target for the treatment of the parasitic diseases they cause. The Saccharomyces cerevisiae metacaspase YCA1 has been implicated in the death of aging cells, cells defective in some biological functions, and cells exposed to different environmental stresses. In this study, we evaluated the functional heterologous complementation of a S. cerevisiae ycal null mutant with the L. major metacaspase (LmjMCA} in cell death induced by oxidative stress. We show that LmjMCA is involved in yeast cell death, similar to YCA1, and that this function depends on its catalytic activity. LmjMCA was found to be auto-processed as occurs for caspases, however, LmjMCA did not exhibit any activity with caspase substrates. In contrast, LmjMCA was active towards substrates with arginine in the P1 position, with the activity being abolished following H147A and C202A catalytic site mutations and addition of the arginal inhibitor leupeptin. In order to identify the L. major proteins that may function as substrates, inhibitors, or may bind and recruit LmjMCA, a yeast two-hybrid screening with cDNA libraries from different life cycle stages of the parasite was conducted. Proteins putatively involved in PCD were identified as interacting with LmjMCA, however, the interaction of LmjMCA with proteins involved in other physiological processes such as vesicle transport, suggests that LmjMCA could have additional roles in the different life cycle stages of the parasite. Résumé: Plusieurs caractéristiques morphologiques et biochimiques rappelant la mort cellulaire programmée ont été identifiées dans les stades infectieux et sous des conditions de stress, chez le parasite protozoaire humain, Leishmania major. Dans les cellules de mammifères, les caspases sont les molécules effectrices principales impliquées dans la mort cellulaire programmée et l'apoptose. Bien qu'une activité caspase ait été retrouvée dans des parasites en mon` cellulaire, le génome de Leishmania ne contient aucun gène qui pourrait coder pour une caspase. À la place, on retrouve un gène unique codant pour une métacaspase. Une prédiction de la structure secondaire de la métacaspase montre que cette métacaspase a un domaine catalytique contenant la dyade histidine/cystéine présente dans les caspases et les autres métacaspases décrites chez les plantes et la levure. Les métacaspases sont aussi présentes dans d'autres parasites protozoaires tels que Trypanosome et Plasmodium, mais ne sont pas présentes dans les cellules de mammifères, ce qui en fait des cibles intéressantes pour le développement de drogue. Dans la levure, Saccharomyces cerevisiae, la métacaspase YCA1 est impliquée dans la mort des cellules âgées, la mort des cellules défectueuses dans certaines fonctions biologiques et dans les cellules exposées à différents stress environnementaux. Dans cette étude, une complémentation hétérologue fonctionnelle d'un mutant de la levure déficient en YCA1 par le gène LmjMCA de L. major lors de l'induction de ta mort par stress oxydatif a été évaluée. Nos résultats montrent que LmjMCA peut remplacer YGA1 dans le programme de mort cellulaire chez la levure et que celte fonction dépend de son activité catalytique. De plus, LmjMCA subit une auto clivage comme les caspases mais n'exhibe aucune spécificité pour les substrats des caspases. Au contraire, LmjMCA est active envers des substrats ayant une arginine en position P1, son activité étant détruite suite à des changements de son domaine catalytique par les mutations H147A et C202A ou suite à une inhibition para la leupeptine. Afin d'identifier quels pourraient être les substrats, les inhibiteurs ou les molécules interagissant avec LmjMCA, nous avons entrepris un criblage double-hybride en utilisant des librairies de d'ADNc provenant de différents stades du cycle parasitaire. Plusieurs protéines potentiellement impliquées dans un programme de mort cellulaire ont été identifiées comme interagissant avec LmjMCA. Cependant, l'identification de protéines impliquées dans le transport vésiculaire suggère aussi que LmjMCA pourrait avoir un rôle additionnel dans les différents stades du cycle parasitaire. Résumé destiné à un large public: De nos jours, la leishmaniose est la deuxième plus importante maladie parasitaire après la malaria. Malgré les avancées accomplies dans les stratégies de contrôle, près de deux millions de nouveaux cas apparaissent chaque année. Actuellement, la principale stratégie pour faire face à ce problème épidémiologique consiste en un traitement pharmacologique des personnes infectées. Pourtant, seule une dizaine de médicaments, dont la plupart sont toxiques, est disponible pour traiter la leishmaniose et des cas de résistance émergent dans certains pays endémiques. Il devient donc urgent de mettre au point de nouveaux traitements anti-leishmaniens capables d'éliminer le parasite sans effets indésirables sur le patient. Récemment, des caractéristiques morphologiques et biochimiques de la mort cellulaire programmée (MCP) semblables au processus de l'apoptose chez les mammifères ont été décrites dans Leishmania. Cependant, des gènes codant pour des protéines similaires à celles qui sont impliquées dans l'apoptose, comme les caspases, ne se retrouvent pas dans le génome de Leishmanía major. Néanmoins, les espèces de Leishmanía, aussi bien que d'autres parasites protozoaires responsables des trypanosomiases et de la malaria, possèdent des métacaspases qui sont des protéines homologues aux caspases mais qui ne sont pas présentes chez les mammifères. C'est pourquoi, la caractérisation de la métacaspase de Leishmania (LmjMCA) ainsi que ses mécanismes d'activation pourrait être une piste d'investigation intéressante dans l'identification de nouvelles cibles thérapeutiques dans les voies de signalisation de la MCP des parasites protozoaires. Dans la levure, Saccharomyces cerevisiae, la métacaspase YCA1 est impliquée dans la mort des cellules âgées, la mort des cellules défectueuses dans certaines fonctions biologiques et dans les cellules exposées à différents stress environnementaux. Dans cette étude, une complémentation hétérologue fonctionnelle d'un mutant de la levure déficient en YCA1 par le gène LmjMCA de L major lors de l'induction de la mort par stress oxydatif a été évaluée. Nos résultats montrent que LmjMCA peut remplacer YCA1 dans le programme de mort cellulaire chez la levure et que cette fonction dépend de son activité catalytique. De plus, LmjMCA subit une auto clivage comme les caspases mais n'exhibe aucune spécificité pour les substrats des caspases. Au contraire, LmjMCA est active envers des substrats ayant une arginine en position P1, son activité étant détruite suite à des changements de son domaine catalytique par les mutations H147A et C202A ou suite à une inhibition para la leupeptine. Afin d'identifier quels pourraient être les substrats, les inhibiteurs ou les molécules interagissant avec LmjMCA, nous avons entrepris un criblage double-hybride en utilisant des librairies de d'ADNe provenant de différents stades du cycle parasitaire. Plusieurs protéines potentiellement impliquées dans un programme de mort cellulaire ont été identifiées comme interagissant avec LmjMCA. Cependant, l'identification de protéines impliquées dans le transport vésiculaire suggère aussi que LmjMCA pourrait avoir un rôle additionnel dans les différents stades du cycle parasitaire. Resumen destinado al público en general: La leishmaniasis es la segunda enfermedad parasitaria más importante en el mundo actual. Aproximadamente 2 millones de nuevos casos ocurren cada año a pesar de los avances logrados en el desarrollo de nuevos métodos de control. El tratamiento farmacológico de las personas infectadas es actualmente la principal estrategia de control, sin embargo, menos de una decena de medicamentos se encuentran disponibles en el mercado, la mayoría de ellos son tóxicos, y ya empiezan a encontrarse parásitos resistentes en algunos países endémicos para la leishmaniasis. El desarrollo de nuevos medicamentos capaces de eliminar los parásitos sin producir efectos indeseables en los humanos, es una necesidad inminente. Recientemente, algunas de las características morfológicas y bioquímicas de la muerte celular programada (MCP) similares al proceso de la apoptosis en mamíferos, han sido descritas en parasitos de Leishmania. Sin embargo, genes que codifiquen proteínas similares a aquellas involucradas en la apoptosis, como las caspasas, no se encuentran en el genoma de Leishmania major. AI contrario, las especies de Leishmania, así como de los otros parásitos responsables de la tripanosomiasis y de la malaria, poseen metacaspases, proteínas homologas a las caspases pero que no están presentes en las células de mamíferos. La caracterización de la metacaspasa de L. major y de sus mecanismos de activación constituye, por lo tanto, un área de investigación interesante para la identificación de nuevos blancos terapéuticos en el proceso de MCP de los parásitos protozoarios. En la levadura Saccharomyces cerevisiae, la metacaspasa YCA1 ha sido descrita como implicada en la muerte de células envejecidas, células defectuosas en algunas funciones biológicas, y en células expuestas a diferentes tipos de estrés ambiental. En el presente estudio se evaluó la complementación heteróloga funcional de una levadura mutante deficiente en YCA1 con el gen de metacaspase de L. major (LmjMCA) en la MCP inducida por estrés oxidativo. Nuestros resultados muestran que la LmjMCA puede reemplazarla YCA1 en la MCP de la levadura dependiente de su actividad catalítica y que la LmjMCA se auto-procesa similar a las caspasas. Sin embargo, LmjMCA no reconoce los substratos de caspasas sino substratos con una arginina en ta posición P1. Dicha actividad enzimática fue abolida con la inducción de las mutaciones puntuales H147A y C202A en la díada catalítica de LmjMCA y con la adición de leupeptina, un inhibidor con arginina. Con el fin de identificar proteínas que pudieran funcionar como substratos, inhibidores o moléculas modificadoras de LmjMCA, se aplicó el método de doble-híbrido en levadura con bibliotecas de ADNc provenientes de diferentes estadios del ciclo de vida del parásito. Algunas proteínas potencialmente implicadas. en la MCP del parásito fueron identiñcadas interactuando con LmjMCA. La identificación de otras proteínas involucradas en transporte vesicular sugiere que la LmjMCA podría tener una función biológica adicional en los diferentes estadios del ciclo de vida dei parásito.

A repeated GGA motif is critical for the activity and stability of the riboregulator RsmY of Pseudomonas fluorescens.

The riboregulator RsmY of Pseudomonas fluorescens strain CHA0 is an example of small regulatory RNAs belonging to the global Rsm/Csr regulatory systems controlling diverse cellular processes such as glycogen accumulation, motility, or formation of extracellular products in various bacteria. By binding multiple molecules of the small regulatory protein RsmA, RsmY relieves the negative effect of RsmA on the translation of several target genes involved in the biocontrol properties of strain CHA0. RsmY and functionally related riboregulators have repeated GGA motifs predicted to be exposed in single-stranded regions, notably in the loops of hairpins. The secondary structure of RsmY was corroborated by in vivo cleavage with lead acetate. RsmY mutants lacking three or five (out of six) of the GGA motifs showed reduced ability to derepress the expression of target genes in vivo and failed to bind the RsmA protein efficiently in vitro. The absence of GGA motifs in RsmY mutants resulted in reduced abundance of these transcripts and in a shorter half-life (< or = 6 min as compared with 27 min for wild type RsmY). These results suggest that both the interaction of RsmY with RsmA and the stability of RsmY strongly depend on the GGA repeats and that the ability of RsmY to interact with small regulatory proteins such as RsmA may protect this RNA from degradation.

Regulatory roles of the GacS/GacA two-component system in plant-associated and other gram-negative bacteria.

The sensor kinase GacS and the response regulator GacA are members of a two-component system that is present in a wide variety of gram-negative bacteria and has been studied mainly in enteric bacteria and fluorescent pseudomonads. The GacS/GacA system controls the production of secondary metabolites and extracellular enzymes involved in pathogenicity to plants and animals, biocontrol of soilborne plant diseases, ecological fitness, or tolerance to stress. A current model proposes that GacS senses a still-unknown signal and activates, via a phosphorelay mechanism, the GacA transcription regulator, which in turn triggers the expression of target genes. The GacS protein belongs to the unorthodox sensor kinases, characterized by an autophosphorylation, a receiver, and an output domain. The periplasmic loop domain of GacS is poorly conserved in diverse bacteria. Thus, a common signal interacting with this domain would be unexpected. Based on a comparison with the transcriptional regulator NarL, a secondary structure can be predicted for the GacA sensor kinases. Certain genes whose expression is regulated by the GacS/GacA system are regulated in parallel by the small RNA binding protein RsmA (CsrA) at a posttranscriptional level. It is suggested that the GacS/GacA system operates a switch between primary and secondary metabolism, with a major involvement of posttranscriptional control mechanisms.

Local alignment refinement using structural assessment.

Homology modeling is the most commonly used technique to build a three-dimensional model for a protein sequence. It heavily relies on the quality of the sequence alignment between the protein to model and related proteins with a known three dimensional structure. Alignment quality can be assessed according to the physico-chemical properties of the three dimensional models it produces.In this work, we introduce fifteen predictors designed to evaluate the properties of the models obtained for various alignments. They consist of an energy value obtained from different force fields (CHARMM, ProsaII or ANOLEA) computed on residue selected around misaligned regions. These predictors were evaluated on ten challenging test cases. For each target, all possible ungapped alignments are generated and their corresponding models are computed and evaluated.The best predictor, retrieving the structural alignment for 9 out of 10 test cases, is based on the ANOLEA atomistic mean force potential and takes into account residues around misaligned secondary structure elements. The performance of the other predictors is significantly lower. This work shows that substantial improvement in local alignments can be obtained by careful assessment of the local structure of the resulting models.

Cryo-negative staining: advantages and applications for three-dimensional electron microscopy of biological macromolecules

Les échantillons biologiques ne s?arrangent pas toujours en objets ordonnés (cristaux 2D ou hélices) nécessaires pour la microscopie électronique ni en cristaux 3D parfaitement ordonnés pour la cristallographie rayons X alors que de nombreux spécimens sont tout simplement trop << gros D pour la spectroscopie NMR. C?est pour ces raisons que l?analyse de particules isolées par la cryo-microscopie électronique est devenue une technique de plus en plus importante pour déterminer la structure de macromolécules. Néanmoins, le faible rapport signal-sur-bruit ainsi que la forte sensibilité des échantillons biologiques natifs face au faisceau électronique restent deux parmi les facteurs limitant la résolution. La cryo-coloration négative est une technique récemment développée permettant l?observation des échantillons biologiques avec le microscope électronique. Ils sont observés à l?état vitrifié et à basse température, en présence d?un colorant (molybdate d?ammonium). Les avantages de la cryo-coloration négative sont étudiés dans ce travail. Les résultats obtenus révèlent que les problèmes majeurs peuvent êtres évités par l?utilisation de cette nouvelle technique. Les échantillons sont représentés fidèlement avec un SNR 10 fois plus important que dans le cas des échantillons dans l?eau. De plus, la comparaison de données obtenues après de multiples expositions montre que les dégâts liés au faisceau électronique sont réduits considérablement. D?autre part, les résultats exposés mettent en évidence que la technique est idéale pour l?analyse à haute résolution de macromolécules biologiques. La solution vitrifiée de molybdate d?ammonium entourant l?échantillon n?empêche pas l?accès à la structure interne de la protéine. Finalement, plusieurs exemples d?application démontrent les avantages de cette technique nouvellement développée.<br/><br/>Many biological specimens do not arrange themselves in ordered assemblies (tubular or flat 2D crystals) suitable for electron crystallography, nor in perfectly ordered 3D crystals for X-ray diffraction; many other are simply too large to be approached by NMR spectroscopy. Therefore, single-particles analysis has become a progressively more important technique for structural determination of large isolated macromolecules by cryo-electron microscopy. Nevertheless, the low signal-to-noise ratio and the high electron-beam sensitivity of biological samples remain two main resolution-limiting factors, when the specimens are observed in their native state. Cryo-negative staining is a recently developed technique that allows the study of biological samples with the electron microscope. The samples are observed at low temperature, in the vitrified state, but in presence of a stain (ammonium molybdate). In the present work, the advantages of this novel technique are investigated: it is shown that cryo-negative staining can generally overcome most of the problems encountered with cryo-electron microscopy of vitrified native suspension of biological particles. The specimens are faithfully represented with a 10-times higher SNR than in the case of unstained samples. Beam-damage is found to be considerably reduced by comparison of multiple-exposure series of both stained and unstained samples. The present report also demonstrates that cryo-negative staining is capable of high- resolution analysis of biological macromolecules. The vitrified stain solution surrounding the sample does not forbid the access to the interna1 features (ie. the secondary structure) of a protein. This finding is of direct interest for the structural biologist trying to combine electron microscopy and X-ray data. developed electron microscopy technique. Finally, several application examples demonstrate the advantages of this newly

Regulation of recombination at yeast nuclear pores controls repair and triplet repeat stability.

Secondary structure-forming DNA sequences such as CAG repeats interfere with replication and repair, provoking fork stalling, chromosome fragility, and recombination. In budding yeast, we found that expanded CAG repeats are more likely than unexpanded repeats to localize to the nuclear periphery. This positioning is transient, occurs in late S phase, requires replication, and is associated with decreased subnuclear mobility of the locus. In contrast to persistent double-stranded breaks, expanded CAG repeats at the nuclear envelope associate with pores but not with the inner nuclear membrane protein Mps3. Relocation requires Nup84 and the Slx5/8 SUMO-dependent ubiquitin ligase but not Rad51, Mec1, or Tel1. Importantly, the presence of the Nup84 pore subcomplex and Slx5/8 suppresses CAG repeat fragility and instability. Repeat instability in nup84, slx5, or slx8 mutant cells arises through aberrant homologous recombination and is distinct from instability arising from the loss of ligase 4-dependent end-joining. Genetic and physical analysis of Rad52 sumoylation and binding at the CAG tract suggests that Slx5/8 targets sumoylated Rad52 for degradation at the pore to facilitate recovery from acute replication stress by promoting replication fork restart. We thereby confirmed that the relocation of damage to nuclear pores plays an important role in a naturally occurring repair process.

Estudo de métodos de aumento de resolução de espectros de FTIR para análise de estruturas secundárias de proteínas

The FTIR spectroscopy has been used to quantify the secondary structures of proteins, using amide I band (1600 - 1700 cm-1). The resolution enhancement methods have been used to resolve the individual components of this band that correlate to the secondary structure. In this paper we discuss the methods of derivative, Fourier deconvolution and fitting with simulated spectra. The results shows that they have serious problems and can be used only as a qualitative or semiquatitative method.

Enzimas termoestáveis: fontes, produção e aplicação industrial

REVIEW: Living organisms encountered in hostile environments that are characterized by extreme temperatures rely on novel molecular mechanisms to enhance the thermal stability of their proteins, nucleic acids, lipids and cell membranes. Proteins isolated from thermophilic organisms usually exhibit higher intrinsic thermal stabilities than their counterparts isolated from mesophilic organisms. Although the molecular basis of protein thermostability is only partially understood, structural studies have suggested that the factors that may contribute to enhance protein thermostability mainly include hydrophobic packing, enhanced secondary structure propensity, helix dipole stabilization, absence of residues sensitive to oxidation or deamination, and increased electrostatic interactions. Thermostable enzymes such as amylases, xylanases and pectinases isolated from thermophilic organisms are potentially of interest in the optimization of industrial processes due to their enhanced stability. In the present review, an attempt is made to delineate the structural factors that increase enzyme thermostability and to document the research results in the production of these enzymes.

Characterization of ß-trypsin at acid pH by differential scanning calorimetry

Trypsin is a serino-protease with a polypeptide chain of 223 amino acid residues and contains six disulfide bridges. It is a globular protein with a predominance of antiparallel ß-sheet and helix in its secondary structure and has two domains with similar structures. We assessed the stability of ß-trypsin in the acid pH range using microcalorimetric (differential scanning calorimetry) techniques. Protein concentrations varied in the range of 0.05 to 2.30 mg/ml. Buffer solutions of 50.0 mM ß-alanine and 20.0 mM CaCl2 at different pH values (from 2.0 to 4.2) and concentrations of sorbitol (1.0 and 2.0 M), urea (0.5 M) or guanidinium hydrochloride (0.5 and 1.0 M) were used. The data suggest that we are studying the same conformational transition of the protein in all experimental situations using pH, sorbitol, urea and guanidinium hydrochloride as perturbing agents. The observed van't Hoff ratios (deltaHcal/deltaHvH) of 1.0 to 0.5 in the pH range of 3.2 to 4.2 suggest protein aggregation. In contrast, deltaHcal/deltaHvH ratios equal to one in the pH range of 2.0 to 3.2 suggest that the protein unfolds as a monomer. At pH 3.00, ß-trypsin unfolded with Tm = 54ºC and deltaH = 101.8 kcal/mol, and the change in heat capacity between the native and unfolded forms of the protein (deltaCp) was estimated to be 2.50 ± 0.07 kcal mol-1 K-1. The stability of ß-trypsin calculated at 298 K was deltaG D = 5.7 kcal/mol at pH 3.00 and deltaG D = 15.2 kcal/mol at pH 7.00, values in the range expected for a small globular protein.

Cloning, sequence analysis, and expression of cDNA coding for the major house dust mite allergen, Der f 1, in Escherichia coli

Our objective was to clone, express and characterize adult Dermatophagoides farinae group 1 (Der f 1) allergens to further produce recombinant allergens for future clinical applications in order to eliminate side reactions from crude extracts of mites. Based on GenBank data, we designed primers and amplified the cDNA fragment coding for Der f 1 by nested-PCR. After purification and recovery, the cDNA fragment was cloned into the pMD19-T vector. The fragment was then sequenced, subcloned into the plasmid pET28a(+), expressed in Escherichia coli BL21 and identified by Western blotting. The cDNA coding for Der f 1 was cloned, sequenced and expressed successfully. Sequence analysis showed the presence of an open reading frame containing 966 bp that encodes a protein of 321 amino acids. Interestingly, homology analysis showed that the Der p 1 shared more than 87% identity in amino acid sequence with Eur m 1 but only 80% with Der f 1. Furthermore, phylogenetic analyses suggested that D. pteronyssinus was evolutionarily closer to Euroglyphus maynei than to D. farinae, even though D. pteronyssinus and D. farinae belong to the same Dermatophagoides genus. A total of three cysteine peptidase active sites were found in the predicted amino acid sequence, including 127-138 (QGGCGSCWAFSG), 267-277 (NYHAVNIVGYG) and 284-303 (YWIVRNSWDTTWGDSGYGYF). Moreover, secondary structure analysis revealed that Der f 1 contained an a helix (33.96%), an extended strand (17.13%), a ß turn (5.61%), and a random coil (43.30%). A simple three-dimensional model of this protein was constructed using a Swiss-model server. The cDNA coding for Der f 1 was cloned, sequenced and expressed successfully. Alignment and phylogenetic analysis suggests that D. pteronyssinus is evolutionarily more similar to E. maynei than to D. farinae.

Extracting Ramachandran torsional angle distributions from 2D NMR data using Tikhonov regularization /

Solid state nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy is a powerful technique for studying structural and dynamical properties of disordered and partially ordered materials, such as glasses, polymers, liquid crystals, and biological materials. In particular, twodimensional( 2D) NMR methods such as ^^C-^^C correlation spectroscopy under the magicangle- spinning (MAS) conditions have been used to measure structural constraints on the secondary structure of proteins and polypeptides. Amyloid fibrils implicated in a broad class of diseases such as Alzheimer's are known to contain a particular repeating structural motif, called a /5-sheet. However, the details of such structures are poorly understood, primarily because the structural constraints extracted from the 2D NMR data in the form of the so-called Ramachandran (backbone torsion) angle distributions, g{^,'4)), are strongly model-dependent. Inverse theory methods are used to extract Ramachandran angle distributions from a set of 2D MAS and constant-time double-quantum-filtered dipolar recoupling (CTDQFD) data. This is a vastly underdetermined problem, and the stability of the inverse mapping is problematic. Tikhonov regularization is a well-known method of improving the stability of the inverse; in this work it is extended to use a new regularization functional based on the Laplacian rather than on the norm of the function itself. In this way, one makes use of the inherently two-dimensional nature of the underlying Ramachandran maps. In addition, a modification of the existing numerical procedure is performed, as appropriate for an underdetermined inverse problem. Stability of the algorithm with respect to the signal-to-noise (S/N) ratio is examined using a simulated data set. The results show excellent convergence to the true angle distribution function g{(j),ii) for the S/N ratio above 100.

Locating and sequencing of the E3 and neighbouring regions in bovine advenovirus type 2

Adenoviruses are nonenveloped icosahedral shaped particles. The double stranded DNA viral genome is divided into 5 major early transcription units, designated E1 A, E1 B, and E2 to E4, which are expressed in a regulated manner soon after infection. The gene products of the early region 3 (E3), shown to be nonessential for viral replication in vitro, are believed to be involved in counteracting host immunosurveillance. In order to sequence the E3 region of Bovine adenovirus type 2 (BAV2) it was necessary to determine the restriction map for the plasmid pEA48. A physical restriction endonuclease map for BamHl, Clal, Eco RI, Hindlll, Kpnl, Pstt, Sail, and Xbal was constructed. The DNA insert in pEA48 was determined to be viral in origin using Southern hybridization. A human adenovirus type 5 recombinant plasmid, containing partial DNA fragments of the two transcription units L4 and L5 that lie just outside the E3, was used to localize this region. The recombinant plasmid pEA was subcloned to facilitate sequencing. The DNA sequences between 74.8 and 90.5 map units containing the E3, the hexon associated protein (pVIII), and the fibre gene were determined. Homology comparison revealed that the genes for the hexon associated pV11I and the fibre protein are conserved. The last 70 amino acids of the BAV2 pV11I were the most conserved, showing a similarity of 87 percent with Ad2 pV1I1. A comparison between the predicted amino acid sequences of BAV2 and Ad40, Ad41 , Ad2 and AdS, revealed that they have an identical secondary structure consisting of a tail, a shaft and a knob. The shaft is composed of 22, 15 amino acid motifs, with periodic glycines and hydrophobic residues. The E3 region was found to consist of about 2.3 Kbp and to encode four proteins that were greater than 60 amino acids. However, these four open reading frames did not show significant homology to any other known adenovirus DNA or protein sequence.

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.

Développement de peptidomimétiques antagonistes du récepteur de l’interleukine-1β

Dans ce mémoire, je présente mes études sur la synthèse, la caractérisation et l’évaluation biologique de différentes séries d’analogues du D-heptapeptide appelé 101.10, un modulateur négatif allostérique du récepteur de l’interleukine-1β (IL-1β). Sachant que les peptides ont généralement de faibles propriétés pharmacologiques, le but de ce projet portait sur l’examen des structures nécessaires à la bioactivité, la conformation tridimensionnelle de ces derniers afin d’améliorer la droguabilité du peptide parent. Les stratégies d’optimisation du 101.10 utilisées furent : la coupure N- et C-terminale; la substitution par la proline, α-amino-γ-lactame (Agl), β-amino-γ-lactame (Bgl) et α-amino-β-hydroxy-γ-lactame (Hgl); et la rigidification du squelette à l’aide d’un bicycle, l’indolozidin-2-one (I2aa). Afin de clarifier certaines relations de structure-activité, quelques modifications furent apportées au peptide, incluant l’échange de la thréonine pour la valine, la permutation de la stéréochimie de certains résidus clés ainsi que le remplacement de certaines chaînes latérales par un méthyle. Pour pallier aux difficultés de reproductibilité des résultats avec des échantillons provenant de différentes sources, des études sur l’identité du contre-anion et la pureté du peptide furent conduites. Afin d’évaluer l’effet des modifications sur la conformation aqueuse et l’activité biologique du peptide, des analyses de dichroïsme circulaire et des tests in vitro mesurant l’inhibition de certains effets de l’IL-1β furent effectués. Ces essais cellulaires comportaient l’inhibition de la prolifération de cellules immunes et de l’activation des voies de signalisation inflammatoires du facteur nucléaire κB (NF-κB) et de la protéine kinase activée par mitogène (MAPK), toutes deux stimulées par l’IL-1β. La compilation de ces données a permis de déceler certaines tendances entre la structure, la conformation et l’activité anti-IL-1β des peptidomimétiques.

Quantification de la relation séquence-activité de l’ARN par prédiction de structure tridimensionnelle

Dans un premier temps, nous avons modélisé la structure d’une famille d’ARN avec une grammaire de graphes afin d’identifier les séquences qui en font partie. Plusieurs autres méthodes de modélisation ont été développées, telles que des grammaires stochastiques hors-contexte, des modèles de covariance, des profils de structures secondaires et des réseaux de contraintes. Ces méthodes de modélisation se basent sur la structure secondaire classique comparativement à nos grammaires de graphes qui se basent sur les motifs cycliques de nucléotides. Pour exemplifier notre modèle, nous avons utilisé la boucle E du ribosome qui contient le motif Sarcin-Ricin qui a été largement étudié depuis sa découverte par cristallographie aux rayons X au début des années 90. Nous avons construit une grammaire de graphes pour la structure du motif Sarcin-Ricin et avons dérivé toutes les séquences qui peuvent s’y replier. La pertinence biologique de ces séquences a été confirmée par une comparaison des séquences d’un alignement de plus de 800 séquences ribosomiques bactériennes. Cette comparaison a soulevée des alignements alternatifs pour quelques unes des séquences que nous avons supportés par des prédictions de structures secondaires et tertiaires. Les motifs cycliques de nucléotides ont été observés par les membres de notre laboratoire dans l'ARN dont la structure tertiaire a été résolue expérimentalement. Une étude des séquences et des structures tertiaires de chaque cycle composant la structure du Sarcin-Ricin a révélé que l'espace des séquences dépend grandement des interactions entre tous les nucléotides à proximité dans l’espace tridimensionnel, c’est-à-dire pas uniquement entre deux paires de bases adjacentes. Le nombre de séquences générées par la grammaire de graphes est plus petit que ceux des méthodes basées sur la structure secondaire classique. Cela suggère l’importance du contexte pour la relation entre la séquence et la structure, d’où l’utilisation d’une grammaire de graphes contextuelle plus expressive que les grammaires hors-contexte. Les grammaires de graphes que nous avons développées ne tiennent compte que de la structure tertiaire et négligent les interactions de groupes chimiques spécifiques avec des éléments extra-moléculaires, comme d’autres macromolécules ou ligands. Dans un deuxième temps et pour tenir compte de ces interactions, nous avons développé un modèle qui tient compte de la position des groupes chimiques à la surface des structures tertiaires. L’hypothèse étant que les groupes chimiques à des positions conservées dans des séquences prédéterminées actives, qui sont déplacés dans des séquences inactives pour une fonction précise, ont de plus grandes chances d’être impliqués dans des interactions avec des facteurs. En poursuivant avec l’exemple de la boucle E, nous avons cherché les groupes de cette boucle qui pourraient être impliqués dans des interactions avec des facteurs d'élongation. Une fois les groupes identifiés, on peut prédire par modélisation tridimensionnelle les séquences qui positionnent correctement ces groupes dans leurs structures tertiaires. Il existe quelques modèles pour adresser ce problème, telles que des descripteurs de molécules, des matrices d’adjacences de nucléotides et ceux basé sur la thermodynamique. Cependant, tous ces modèles utilisent une représentation trop simplifiée de la structure d’ARN, ce qui limite leur applicabilité. Nous avons appliqué notre modèle sur les structures tertiaires d’un ensemble de variants d’une séquence d’une instance du Sarcin-Ricin d’un ribosome bactérien. L’équipe de Wool à l’université de Chicago a déjà étudié cette instance expérimentalement en testant la viabilité de 12 variants. Ils ont déterminé 4 variants viables et 8 létaux. Nous avons utilisé cet ensemble de 12 séquences pour l’entraînement de notre modèle et nous avons déterminé un ensemble de propriétés essentielles à leur fonction biologique. Pour chaque variant de l’ensemble d’entraînement nous avons construit des modèles de structures tertiaires. Nous avons ensuite mesuré les charges partielles des atomes exposés sur la surface et encodé cette information dans des vecteurs. Nous avons utilisé l’analyse des composantes principales pour transformer les vecteurs en un ensemble de variables non corrélées, qu’on appelle les composantes principales. En utilisant la distance Euclidienne pondérée et l’algorithme du plus proche voisin, nous avons appliqué la technique du « Leave-One-Out Cross-Validation » pour choisir les meilleurs paramètres pour prédire l’activité d’une nouvelle séquence en la faisant correspondre à ces composantes principales. Finalement, nous avons confirmé le pouvoir prédictif du modèle à l’aide d’un nouvel ensemble de 8 variants dont la viabilité à été vérifiée expérimentalement dans notre laboratoire. En conclusion, les grammaires de graphes permettent de modéliser la relation entre la séquence et la structure d’un élément structural d’ARN, comme la boucle E contenant le motif Sarcin-Ricin du ribosome. Les applications vont de la correction à l’aide à l'alignement de séquences jusqu’au design de séquences ayant une structure prédéterminée. Nous avons également développé un modèle pour tenir compte des interactions spécifiques liées à une fonction biologique donnée, soit avec des facteurs environnants. Notre modèle est basé sur la conservation de l'exposition des groupes chimiques qui sont impliqués dans ces interactions. Ce modèle nous a permis de prédire l’activité biologique d’un ensemble de variants de la boucle E du ribosome qui se lie à des facteurs d'élongation.