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.

Étude d'un variant de la toxine STb produite par Escherichia coli

Les E. coli entérotoxinogènes (ETEC) sont souvent la cause de diarrhée post-sevrage chez le porc. Deux types d’entérotoxines sont retrouvées chez les ETEC, soit les thermolabiles, comme la toxine LT, et les thermostables, comme EAST-1, STa et STb. Cette dernière est composée de 48 acides aminés et est impliquée dans la pathologie causée par les ETEC. Pour la première fois un variant de la toxine STb fut découvert dans une étude. Nous avons alors émis l’hypothèse qu’il y a présence de variants dans la population de souches ETEC du Québec. Dans les 100 souches STb+ analysées, 23 possédaient le gène de la toxine avec une variation dans la séquence génétique : l’asparagine était présente en position 12 remplaçant ainsi l’histidine. Une corrélation entre la présence du variant et la présence de facteurs de virulence retrouvés dans ces 100 souches ETEC étudiées a été effectuée. Ce variant semble fortement associé à la toxine STa puisque toutes les souches variantes ont hybridé avec le gène codant pour cette dernière. Étant donné sa présence répandue dans la population de souches ETEC du Québec, nous avons de plus émis l’hypothèse que ce variant a des caractéristiques biologiques altérées par rapport à la toxine sauvage. L’analyse par dichroïsme circulaire a montré que le variant et la toxine sauvage ont une structure secondaire ainsi qu’une stabilité similaires. Par la suite, l’attachement au récepteur de la toxine, le sulfatide, a été étudié par résonnance plasmonique de surface (biacore). Le variant a une affinité au sulfatide légèrement réduite comparativement à la toxine sauvage. Puisque l’internalisation de la toxine fut observée dans une étude précédente et qu’elle semble liée à la toxicité, nous avons comparé l’internalisation du variant et de la toxine sauvage à l’intérieur des cellules IPEC-J2. L’internalisation du variant dans les cellules est légèrement supérieure à l’internalisation de la toxine sauvage. Ces résultats suggèrent que le variant est biochimiquement et structurellement comparable à la toxine sauvage.

A new paradigm for the folding of ribonucleic acids

De récentes découvertes montrent le rôle important que joue l’acide ribonucléique (ARN) au sein des cellules, que ce soit le contrôle de l’expression génétique, la régulation de plusieurs processus homéostasiques, en plus de la transcription et la traduction de l’acide désoxyribonucléique (ADN) en protéine. Si l’on veut comprendre comment la cellule fonctionne, nous devons d’abords comprendre ses composantes et comment ils interagissent, et en particulier chez l’ARN. La fonction d’une molécule est tributaire de sa structure tridimensionnelle (3D). Or, déterminer expérimentalement la structure 3D d’un ARN s’avère fort coûteux. Les méthodes courantes de prédiction par ordinateur de la structure d’un ARN ne tiennent compte que des appariements classiques ou canoniques, similaires à ceux de la fameuse structure en double-hélice de l’ADN. Ici, nous avons amélioré la prédiction de structures d’ARN en tenant compte de tous les types possibles d’appariements, dont ceux dits non-canoniques. Cela est rendu possible dans le contexte d’un nouveau paradigme pour le repliement des ARN, basé sur les motifs cycliques de nucléotides ; des blocs de bases pour la construction des ARN. De plus, nous avons dévelopées de nouvelles métriques pour quantifier la précision des méthodes de prédiction des structures 3D des ARN, vue l’introduction récente de plusieurs de ces méthodes. Enfin, nous avons évalué le pouvoir prédictif des nouvelles techniques de sondage de basse résolution des structures d’ARN.

Synthèse et caractérisation physicochimique de peptides de polyglutamines

Neuf maladies neurodégénératives sont le produit de l’expression de gènes mutés, dans lesquels le codon CAG est répété au-delà d’un seuil pathologique. Ceci produit des protéines mutantes dans lesquelles sont insérés des segments de polyglutamines (polyGln), qui perdent leur activité et acquièrent une nouvelle fonction, ce qui est toxique pour le neurone. Ces altérations sont attribuables aux propriétés particulières de la polyGln. En effet, ces dernières possèdent la capacité de s’assembler pour former des corps d’inclusion intracellulaires. Cette propension à l’agrégation de la polyGln rend difficile l’étude de ces pathologies. C’est ainsi que l’utilisation de peptides peut s’avérer une approche avantageuse. Toutefois, la synthèse de polyGln est associée à de nombreuses délétions et nécessite l’ajout de groupements chargés afin de permettre leur purification. Cependant, ce prérequis donne lieu à des interactions électrostatiques qui biaisent la structure et la cinétique d’agrégation de ces peptides, en plus d’interférer avec l’évaluation d’éventuels agents thérapeutiques. L’objectif du projet est de développer un système permettant l’étude de la polyGln en s’affranchissant des effets de charges. Pour ce faire, deux approches ont été explorées, la première utilise la polyGln non chargée et la seconde utilise une structure polyGln-morpholine ayant des charges labiles en fonction du pH. Ces peptides ont été produits en utilisant une approche linéaire de synthèse peptidique sur support solide avec protection maximale des chaînes latérales. La purification a été effectuée par chromatographie de haute performance en phase inverse en milieu acide. Ces stratégies ont permis de produire des peptides de polyGln de grande pureté avec des rendements acceptables. Une procédure de solubilisation des peptides alliant sonication et lyophilisation a été développée afin d’étudier chacun de ces peptides à l’aide de diverses techniques physicochimiques, telles que la diffusion de la lumière, la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire, Raman et UV-visible, le dichroïsme circulaire et la microscopie optique polarisée. La polyGln non chargée solubilisée dans le trifluoroéthanol-eau a montré que la taille des particules et la vitesse d’agrégation sont proportionnelles à la fraction volumique en eau. De plus, la structure secondaire en solution est à prédominance alpha et semble être peu sensible à la fraction d’eau jusqu’à un certain seuil (25%) après lequel la structure aléatoire prédomine. L’analyse des agrégats à l’état solide montre des structures hélicoïdales > aléatoires et ont les caractéristiques des fibrilles amyloïdes. Le peptide de polyGln-morpholines a un pKa de 7,3 en milieu aqueux. Il demeure en solution lorsque le pH < pKa et à faible force ionique, alors qu’il s’autoassemble lorsque ces conditions ne sont pas respectées. Ceci suggère que la répulsion électrostatique est responsable de la stabilisation du peptide en solution. La dimension fractale nous indique que le peptide forme des agrégats compacts dont les constituants ont une taille de 2,5 nm, compatibles avec une conformation aléatoire compacte, en coude bêta ou hélicoïdale. Ceci est en accord avec l’étude structurale des peptides en solution qui a montré des espèces aléatoires > bêta > alpha. De plus, en RMN, l’élargissement des signaux du 1Hγ en cours d’agrégation suggère une interaction via les chaînes latérales. Les analyses en phase solide ont plutôt montré une prédominance de structures bêta et alpha. L’inhibition de l’agrégation à pH 8 varie selon rouge de Congo > tréhalose, alors que le peptide liant la polyGln 1 et la thioflavine T ne semble pas avoir d’effet. Ces approches ont donc permis pour la première fois de s’affranchir des effets de charges auparavant inhérents à l’étude de la polyGln en solution et par conséquent d’obtenir des informations inédites quant à la solubilité, la structure et la cinétique d’agrégation. Enfin, le dispositif à charges labiles permet d’évaluer l’efficacité d’éventuels agents thérapeutiques à pH quasi physiologique.

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.

Interpretation of the centromere epigenetic mark to maintain genome stability

Le centromère est la région chromosomique où le kinétochore s'assemble en mitose. Contrairement à certaines caractéristiques géniques, la séquence centromérique n'est ni conservée entre les espèces ni suffisante à la fonction centromérique. Il est donc bien accepté dans la littérature que le centromère est régulé épigénétiquement par une variante de l'histone H3, CENP-A. KNL-2, aussi connu sous le nom de M18BP1, ainsi que ces partenaires Mis18α et Mis18β sont des protéines essentielles pour l'incorporation de CENP-A nouvellement synthétisé aux centromères. Des évidences expérimentales démontrent que KNL-2, ayant un domaine de liaison à l'ADN nommé Myb, est la protéine la plus en amont pour l'incorporation de CENP-A aux centromères en phase G1. Par contre, sa fonction dans le processus d'incorporation de CENP-A aux centromères n'est pas bien comprise et ces partenaires de liaison ne sont pas tous connus. De nouveaux partenaires de liaison de KNL-2 ont été identifiés par des expériences d'immunoprécipitation suivies d'une analyse en spectrométrie de masse. Un rôle dans l'incorporation de CENP-A nouvellement synthétisé aux centromères a été attribué à MgcRacGAP, une des 60 protéines identifiées par l'essai. MgcRacGAP ainsi que les protéines ECT-2 (GEF) et la petite GTPase Cdc42 ont été démontrées comme étant requises pour la stabilité de CENP-A incorporé aux centromères. Ces différentes observations ont mené à l'identification d'une troisième étape au niveau moléculaire pour l'incorporation de CENP-A nouvellement synthétisé en phase G1, celle de la stabilité de CENP-A nouvellement incorporé aux centromères. Cette étape est importante pour le maintien de l'identité centromérique à chaque division cellulaire. Pour caractériser la fonction de KNL-2 lors de l'incorporation de CENP-A nouvellement synthétisé aux centromères, une technique de microscopie à haute résolution couplée à une quantification d'image a été utilisée. Les résultats générés démontrent que le recrutement de KNL-2 au centromère est rapide, environ 5 minutes après la sortie de la mitose. De plus, la structure du domaine Myb de KNL-2 provenant du nématode C. elegans a été résolue par RMN et celle-ci démontre un motif hélice-tour-hélice, une structure connue pour les domaines de liaison à l'ADN de la famille Myb. De plus, les domaines humain (HsMyb) et C. elegans (CeMyb) Myb lient l'ADN in vitro, mais aucune séquence n'est reconnue spécifiquement par ces domaines. Cependant, il a été possible de démontrer que ces deux domaines lient préférentiellement la chromatine CENP-A-YFP comparativement à la chromatine H2B-GFP par un essai modifié de SIMPull sous le microscope TIRF. Donc, le domaine Myb de KNL-2 est suffisant pour reconnaître de façon spécifique la chromatine centromérique. Finalement, l'élément reconnu par les domaines Myb in vitro a potentiellement été identifié. En effet, il a été démontré que les domaines HsMyb et CeMyb lient l'ADN simple brin in vitro. De plus, les domaines HsMyb et CeMyb ne colocalisent pas avec CENP-A lorsqu'exprimés dans les cellules HeLa, mais plutôt avec les corps nucléaires PML, des structures nucléaires composées d'ARN. Donc, en liant potentiellement les transcrits centromériques, les domaines Myb de KNL-2 pourraient spécifier l'incorporation de CENP-A nouvellement synthétisé uniquement aux régions centromériques.

Characterization and Pathogenicity of Vibrio cholerae and Vibrio vulnificus from Marine environments

The genus Vibrioof the family Vibrionaceae are Gram negative, oxidasepositive, rod- or curved- rodshaped facultative anaerobes, widespread in marine and estuarine environments. Vibrio species are opportunistic human pathogens responsible for diarrhoeal disease, gastroenteritis, septicaemia and wound infections and are also pathogens of aquatic organisms, causing infections to crustaceans, bivalves and fishes. In the present study, marine environmental samples like seafood and water and sediment samples from aquafarms and mangroves were screened for the presence of Vibrio species. Of the134 isolates obtained from the various samples, 45 were segregated to the genus Vibrio on the basis of phenotypic characterization.like Gram staining, oxidase test, MoF test and salinity tolerance. Partial 16S rDNA sequence analysis was utilized for species level identification of the isolates and the strains were identified as V. cholerae(N=21), V. vulnificus(N=18), V. parahaemolyticus(N=3), V. alginolyticus (N=2) and V. azureus (N=1). The genetic relatedness and variations among the 45 Vibrio isolates were elucidated based on 16S rDNA sequences. Phenotypic characterization of the isolates was based on their response to 12 biochemical tests namely Voges-Proskauers’s (VP test), arginine dihydrolase , tolerance to 3% NaCl test, ONPG test that detects β-galactosidase activity, and tests for utilization of citrate, ornithine, mannitol, arabinose, sucrose, glucose, salicin and cellobiose. The isolates exhibited diverse biochemical patterns, some specific for the species and others indicative of their environmental source.Antibiogram for the isolates was determined subsequent to testing their susceptibility to 12 antibiotics by the disc diffusion method. Varying degrees of resistance to gentamycin (2.22%), ampicillin(62.22%), nalidixic acid (4.44%), vancomycin (86.66), cefixime (17.77%), rifampicin (20%), tetracycline (42.22%) and chloramphenicol (2.22%) was exhibited. All the isolates were susceptible to streptomycin, co-trimoxazole, trimethoprim and azithromycin. Isolates from all the three marine environments exhibited multiple antibiotic resistance, with high MAR index value. The molecular typing methods such as ERIC PCR and BOX PCR revealed intraspecies relatedness and genetic heterogeneity within the environmental isolatesof V. cholerae and V. vulnificus. The 21 strains of V. choleraewere serogroupedas non O1/ non O139 by screening for the presence O1rfb and O139 rfb marker genes by PCR. The virulence/virulence associated genes namely ctxA, ctxB, ace, VPI, hlyA, ompU, rtxA, toxR, zot, nagst, tcpA, nin and nanwere screened in V. cholerae and V. vulnificusstrains.The V. vulnificusstrains were also screened for three species specific genes viz., cps, vvhand viu. In V. cholerae strains, the virulence associated genes like VPI, hlyA, rtxA, ompU and toxR were confirmed by PCR. All the isolates, except for strain BTOS6, harbored at least one or a combination of the tested genes and V. choleraestrain BTPR5 isolated from prawn hosted the highest number of virulence associated genes. Among the V. vulnificusstrains, only 3 virulence genes, VPI, toxR and cps, were confirmed out of the 16 tested and only 7 of the isolates had these genes in one or more combinations. Strain BTPS6 from aquafarm and strain BTVE4 from mangrove samples yielded positive amplification for the three genes. The toxRgene from 9 strains of V. choleraeand 3 strains of V. vulnificus were cloned and sequenced for phylogenetic analysis based on nucleotide and the amino acid sequences. Multiple sequence alignment of the nucleotide sequences and amino acid sequences of the environmental strains of V. choleraerevealed that the toxRgene in the environmental strains are 100% homologous to themselves and to the V. choleraetoxR gene sequence available in the Genbank database. The 3 strains of V. vulnificus displayed high nucleotide and amino acid sequence similarity among themselves and to the sequences of V. cholerae and V. harveyi obtained from the GenBank database, but exhibited only 72% homology to the sequences of its close relative V. vulnificus. Structure prediction of the ToxR protein of Vibrio cholerae strain BTMA5 was by PHYRE2 software. The deduced amino acid sequence showed maximum resemblance with the structure of DNA-binding domain of response regulator2 from Escherichia coli k-12 Template based homology modelling in PHYRE2 successfully modelled the predicted protein and its secondary structure based on protein data bank (PDB) template c3zq7A. The pathogenicity studies were performed using the nematode Caenorhabditiselegansas a model system. The assessment of pathogenicity of environmental strain of V. choleraewas conducted with E. coli strain OP50 as the food source in control plates, environmental V. cholerae strain BTOS6, negative for all tested virulence genes, to check for the suitability of Vibrio sp. as a food source for the nematode;V. cholerae Co 366 ElTor, a clinical pathogenic strain and V. cholerae strain BTPR5 from seafood (Prawn) and positive for the tested virulence genes like VPI, hlyA, ompU,rtxA and toxR. It was found that V. cholerae strain BTOS6 could serve as a food source in place of E. coli strain OP50 but behavioral aberrations like sluggish movement and lawn avoidance and morphological abnormalities like pharyngeal and intestinal distensions and bagging were exhibited by the worms fed on V. cholerae Co 366 ElTor strain and environmental BTPR5 indicating their pathogenicity to the nematode. Assessment of pathogenicity of the environmental strains of V. vulnificus was performed with V. vulnificus strain BTPS6 which tested positive for 3 virulence genes, namely, cps, toxRand VPI, and V. vulnificus strain BTMM7 that did not possess any of the tested virulence genes. A reduction was observed in the life span of worms fed on environmental strain of V. vulnificusBTMM7 rather than on the ordinary laboratory food source, E. coli OP50. Behavioral abnormalities like sluggish movement, lawn avoidance and bagging were also observed in the worms fed with strain BTPS6, but the pharynx and the intestine were intact. The presence of multi drug resistant environmental Vibrio strainsthat constitute a major reservoir of diverse virulence genes are to be dealt with caution as they play a decisive role in pathogenicity and horizontal gene transfer in the marine environments.

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.

Paper del nucli hidrofòbic principal de la RNasa A en el plegament i desplegament induïts per pressió i temperatura

Utilitzant temperatura i pressió com a agents desnaturalitzants s'ha explorat la contribució a l'estabilitat de diferents residus del principal nucli hidrofòbic de la RNasa A. Aquests resutats suggereixen que el principal nucli hidrofòbic d'aquest enzim, està fortament empaquetat i ha revelat l'existència de reordenacions en l'interior de la proteïna. El mètode dels valors , han permès estudiar el paper de les interaccions hidrofòbiques establertes pels residus del principal nucli hidrofòbic de la RNasa A en el seu estat de transició induït per pressió. En conjunt, aquests resultats suggereixen que l'estat de transició de la RNasa A, s'assemblaria a un glòbul col·lapsat amb una cadena estructurada però amb un debilitat nucli hidrofòbic. S'ha explorat també, el paisatge energètic del plegament/desplegament proteic de la variant Y115W de la RNasa A. L'estat de transició sembla interaccionar fortament amb la capa d'hidratació d'aquest estat, tal i com indiquen els resultats en presència de glicerol.

Síntesi, caracterització química i estudi de l'activitat biològica de nous complexos de Pt(II) amb lligands de tipus diaminocarboxílic i els respectius ésters i derivats peptídics

El cisplatí, PtCl2(NH3)2, ha estat una de les drogues més utilitzades en la quimioteràpia del càncer des del descobriment de la seva activitat. Però degut a la seva alta toxicitat i greus efectes secundaris, s'han sintetitzat nous compostos amb la finalitat de reduir aquests inconvenients. En aquest sentit, el treball desenvolupat en aquesta tesi doctoral ha estat la síntesi i caracterització de tretze complexos de Pt(II) amb la finalitat d'estudiar llur activitat antitumoral. Aquests complexos presenten unes característiques estructurals comunes: geometria cis, dos lligands làbils de tipus clorur i un lligand diaminoquelatant derivat dels àcids d,l-2,3-diaminopropiònic (Hdap) i d,l-2,4-diaminobutíric (Hdab). S'han dissenyat unes estratègies sintètiques a partir de les quals els lligands han estat funcionalitzats amb diferents grups de tipus éster, aminoàcid i peptídic: Etdap·2HCl, Etdab·2HCl, [(dap-Metala)·2CF3COOH], [(dab-Metala)·2CF3COOH], [(dap-phe)·2CF3COOH], [(dab-phe)·2CF3COOH], [(dap-Mettrp)·2CF3COOH], [(dab-Mettrp)·2CF3COOH], [(dap-ASTTTNYT-NH2)·2CF3COOH], essent Metala= éster metílic de L-alanina, phe= L-fenilalanina, Mettrp= éster metílic del L-triptofà. Aquests lligands diaminoquelatants s'han utilitzat per sintetitzar els corresponents complexos de Pt(II): PtCl2(Hdap), PtCl2(Hdab), PtCl2(Etdap), PtCl2(Etdab), PtCl2(dap-Metala), PtCl2(dab-Metala), PtCl2(dap-ala), PtCl2(dab-ala), PtCl2(dap-phe), PtCl2(dab-phe), PtCl2(dap-Mettrp), PtCl2(dab-Mettrp), PtCl2(dap-ASTTTNYT-NH2). A través de diferents tècniques i assaigs biològics (dicroisme circular, electroforesi en gel d'agarosa, microscopia de forces atòmiques, citometria de flux, assaigs de proliferació cel·lular) s'ha pogut demostrar l'activitat antitumoral d'aquests compostos. A través de la tècnica de dicroisme circular (DC) s'ha pogut demostrar que els lligands lliures no interaccionen covalentment amb el DNA de Calf Thymus i no modifiquen l'estructura secundària de la doble hèlix. En canvi, els respectius complexos han demostrat tenir capacitat per interaccionar amb el DNA i modificar la seva estructura secundària. Els complexos PtCl2(Hdap), PtCl2(Hdab) i PtCl2(dab-phe) mostren un comportament similar al cisplatí, generant adductes cis-bifuncionals que distorcionen la doble hèlix de forma no desnaturalitzant amb obertura de la doble cadena. Els complexos PtCl2(Etdap), PtCl2(Etdab), PtCl2(dap-ala), PtCl2(dab-ala), PtCl2(dap-Metala), PtCl2(dab-Metala), PtCl2(dap-phe), PtCl2(dap-ASTTTNYT-NH2) quan interaccionen amb el DNA generen un canvi en la conformació del DNA de la forma B a la forma C, produint-se un augment de la curvatura de l'hèlix per rotació de les bases nitrogenades. En aquests estudis s'ha comprovat que l'estructura del complex influeix en l'efecte generat sobre l'estructura secundària de l'àcid nucleic. En primer lloc, existeix una diferència en el comportament en funció del tamany del lligand diaminoquelatant, de manera que els complexos amb el lligand (dab) provoquen un efecte més remarcable. També s'observa aquest canvi de comportament al passar dels complexos que tenen el grup funcional esterificat als que el tenen protonat. D'aquesta manera, s'observa un major efecte sobre l'estructura secundària del DNA en aquells complexos que tenen el lligand diaminoquelatant de tres metilens (dab) i amb el grup carboxilat terminal protonat. Per tal de modelitzar la interacció d'aquests complexos amb el DNA, s'ha estudiat la interacció d'aquests compostos de Pt(II) amb 5'-GMP a través de RMN-1H, observant la variació dels senyals corresponents al H8 de 5'-GMP. Així s'ha pogut demostrar que aquests compostos interaccionen amb la 5'-GMP a través d'un enllaç covalent Pt-N7, de la mateixa manera a com interacciona el cisplatí. A través d'electroforesi en gel d'agarosa i microscopia de forces atòmiques (AFM) s'ha pogut determinar l'efecte que generen els lligands lliures i els respectius complexos de Pt(II) sobre l'estructura terciària del plasmidi pBR322. Els lligands provoquen un augment de l'agregació de les molècules de DNA i un lleuger augment de la compactació de l'estructura terciària. Aquests resultats s'atribueixen a la capacitat d'aquests compostos a interaccionar per pont d'hidrogen amb el DNA. Els corresponents complexos de Pt(II) provoquen un augment de l'agregació i una important compactació, degut per una banda a la capacitat de l'àtom de Pt a interaccionar covalentment amb el DNA, i per altra banda, a la capacitat del lligand a interaccionar per pont d'hidrogen amb l'àcid nucleic. Finalment s'ha estudiat l'activitat citotòxica d'aquests complexos de Pt(II) en diferents línies cel·lulars: A431 (línia de carcinoma epidermoide), HeLa (línia de carcinoma de coll d'úter) i HL-60 (línia promielocítica de leucèmia). Els complexos moderadament solubles en aigua, PtCl2(Hdap), PtCl2(Hdab), PtCl2(dap-ala), PtCl2(dab-ala), PtCl2(dap-phe) i PtCl2(dab-phe), han demostrat ser actius. L'activitat depèn de la concentració de complex, del temps d'incubació i de la línia cel·lular. Per temps d'incubació alts i concentracions de complex elevades s'observa la màxima activitat. Els complexos de l'alanina, PtCl2(dap-ala) i PtCl2(dab-ala), són els que mostren més activitat, mentre que els compostos de la fenilalanina són els menys actius, degut probablement a la voluminositat del lligand, la qual pot impedir o dificultar el transport del compost a través de la membrana cel·lular. L'activitat citotòxica dels complexos insolubles en aigua, PtCl2(Etdap) i PtCl2(Etdab), queda bloquejada per l'elevada concentració de DMSO (12%) necessària per solubilitzar els compostos. Aquests resultats permeten deduir que la presència d'un 12% de DMSO anul·la l'activitat d'aquests complexos, ja que el DMSO pot coordinar-se amb el Pt ocupant les posicions làbils del complex i evitant que es pugui coordinar amb el DNA. Els assaigs de proliferació cel·lular del complex PtCl2(dap-ASTTTNYT-NH2) i del pèptid lliure ASTTTNYT-NH2 han demostrat que ambdós compostos són actius. Tot i això, l'activitat del complex és superior a la del pèptid lliure, ja que el Pt pot interaccionar covalentment amb el DNA i augmentar l'efecte citotòxic. Per tant, el complex presenta un lligand portador biològicament actiu que pot transportar el metall a través de la membrana cel·lular i facilitar així la seva interacció amb el DNA. A través de la tècnica de citometria de flux s'ha comprovat que en tots els casos la mort cel·lular produïda pels complexos ha estat per apoptosi. Per últim, s'ha sintetitzat i caracteritzat un complex trinuclear de Pt(II), {[Pt(Me2Bpy)2][PtCl2(Me2Bpy)]2}, essent Me2Bpy= 4,4'-dimetil-2,2'-dipiridil. La resolució de la seva estructura per difracció de Raig-X ha permès determinar l'existència d'una interacció intramolecular Pt-Pt de 3.474 Å.

Layer-by-layer electrostatic entrapment of protein molecules on superparamagnetic nanoparticle: new strategy to enhance adsorption capacity and maintain biological activity

There is a recent interest to use inorganic-based magnetic nanoparticles as a vehicle to carry biomolecules for various biophysical applications, but direct attachment of the molecules is known to alter their conformation leading to attenuation in activity. In addition, surface immobilization has been limited to monolayer coverage. It is shown that alternate depositions of negatively charged protein molecules, typically bovine serum albumin (BSA) with a positively charged aminocarbohydrate template such as glycol chitosan (GC) on magnetic iron oxide nanoparticle surface as a colloid, are carried out under pH 7.4. Circular dichroism (CD) clearly reveals that the secondary structure of the entrapped BSA sequential depositions in this manner remains totally unaltered which is in sharp contrast to previous attempts. Probing the binding properties of the entrapped BSA using small molecules (Site I and Site II drug compounds) confirms for the first time the full retention of its biological activity as compared with native BSA, which also implies the ready accessibility of the entrapped protein molecules through the porous overlayers. This work clearly suggests a new method to immobilize and store protein molecules beyond monolayer adsorption on a magnetic nanoparticle surface without much structural alteration. This may find applications in magnetic recoverable enzymes or protein delivery.

Direct repeats in the flavivirus 3' untranslated region; a strategy for survival in the environment?

Previously, direct repeats (DRs) of 20-70 nucleotides were identified in the 3' untranslated regions (3'UTR) of flavivirus sequences. To address their functional significance, we have manually generated a pan-flavivirus 3'UTR alignment and correlated it with the corresponding predicted RNA secondary structures. This approach revealed that intra-group-conserved DRs evolved from six long repeated sequences (LRSs) which, as approximately 200-nucleotide domains were preserved only in the genomes of the slowly evolving tick-borne flaviviruses. We propose that short DRs represent the evolutionary remnants of LRSs rather than distinct molecular duplications. The relevance of DRs to virus replication enhancer function, and thus survival, is discussed.

Benchmarking consensus model quality assessment for protein fold recognition

Background: Selecting the highest quality 3D model of a protein structure from a number of alternatives remains an important challenge in the field of structural bioinformatics. Many Model Quality Assessment Programs (MQAPs) have been developed which adopt various strategies in order to tackle this problem, ranging from the so called "true" MQAPs capable of producing a single energy score based on a single model, to methods which rely on structural comparisons of multiple models or additional information from meta-servers. However, it is clear that no current method can separate the highest accuracy models from the lowest consistently. In this paper, a number of the top performing MQAP methods are benchmarked in the context of the potential value that they add to protein fold recognition. Two novel methods are also described: ModSSEA, which based on the alignment of predicted secondary structure elements and ModFOLD which combines several true MQAP methods using an artificial neural network. Results: The ModSSEA method is found to be an effective model quality assessment program for ranking multiple models from many servers, however further accuracy can be gained by using the consensus approach of ModFOLD. The ModFOLD method is shown to significantly outperform the true MQAPs tested and is competitive with methods which make use of clustering or additional information from multiple servers. Several of the true MQAPs are also shown to add value to most individual fold recognition servers by improving model selection, when applied as a post filter in order to re-rank models. Conclusion: MQAPs should be benchmarked appropriately for the practical context in which they are intended to be used. Clustering based methods are the top performing MQAPs where many models are available from many servers; however, they often do not add value to individual fold recognition servers when limited models are available. Conversely, the true MQAP methods tested can often be used as effective post filters for re-ranking few models from individual fold recognition servers and further improvements can be achieved using a consensus of these methods.

Use of a novel Hill-climbing genetic algorithm in protein folding simulations

We have developed a novel Hill-climbing genetic algorithm (GA) for simulation of protein folding. The program (written in C) builds a set of Cartesian points to represent an unfolded polypeptide's backbone. The dihedral angles determining the chain's configuration are stored in an array of chromosome structures that is copied and then mutated. The fitness of the mutated chain's configuration is determined by its radius of gyration. A four-helix bundle was used to optimise simulation conditions, and the program was compared with other, larger, genetic algorithms on a variety of structures. The program ran 50% faster than other GA programs. Overall, tests on 100 non-redundant structures gave comparable results to other genetic algorithms, with the Hill-climbing program running from between 20 and 50% faster. Examples including crambin, cytochrome c, cytochrome B and hemerythrin gave good secondary structure fits with overall alpha carbon atom rms deviations of between 5 and 5.6 Angstrom with an optimised hydrophobic term in the fitness function. (C) 2003 Elsevier Ltd. All rights reserved.