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.

Differential induction, isolation, physicochemical and molecular characterization of temperate phages of environmental Vibrio cholerae as evidence of phage mediated Horizontal Gene Transfer

The resurgence of the enteric pathogen Vibrio cholerae, the causative organism of epidemic cholera, remains a major health problem in many developing countries like India. The southern Indian state of Kerala is endemic to cholera. The outbreaks of cholera follow a seasonal pattern in regions of endemicity. Marine aquaculture settings and mangrove environments of Kerala serve as reservoirs for V. cholerae. The non-O1/non-O139 environmental isolates of V. cholerae with incomplete ‘virulence casette’ are to be dealt with caution as they constitute a major reservoir of diverse virulence genes in the marine environment and play a crucial role in pathogenicity and horizontal gene transfer. The genes coding cholera toxin are borne on, and can be infectiously transmitted by CTXΦ, a filamentous lysogenic vibriophages. Temperate phages can provide crucial virulence and fitness factors affecting cell metabolism, bacterial adhesion, colonization, immunity, antibiotic resistance and serum resistance. The present study was an attempt to screen the marine environments like aquafarms and mangroves of coastal areas of Alappuzha and Cochin, Kerala for the presence of lysogenic V. cholerae, to study their pathogenicity and also gene transfer potential. Phenotypic and molecular methods were used for identification of isolates as V. cholerae. The thirty one isolates which were Gram negative, oxidase positive, fermentative, with or without gas production on MOF media and which showed yellow coloured colonies on TCBS (Thiosulfate Citrate Bile salt Sucrose) agar were segregated as vibrios. Twenty two environmental V. cholerae strains of both O1 and non- O1/non-O139 serogroups on induction with mitomycin C showed the presence of lysogenic phages. They produced characteristic turbid plaques in double agar overlay assay using the indicator strain V. cholerae El Tor MAK 757. PCR based molecular typing with primers targeting specific conserved sequences in the bacterial genome, demonstrated genetic diversity among these lysogen containing non-O1 V. cholerae . Polymerase chain reaction was also employed as a rapid screening method to verify the presence of 9 virulence genes namely, ctxA, ctxB, ace, hlyA, toxR, zot,tcpA, ninT and nanH, using gene specific primers. The presence of tcpA gene in ALPVC3 was alarming, as it indicates the possibility of an epidemic by accepting the cholera. Differential induction studies used ΦALPVC3, ΦALPVC11, ΦALPVC12 and ΦEKM14, underlining the possibility of prophage induction in natural ecosystems, due to abiotic factors like antibiotics, pollutants, temperature and UV. The efficiency of induction of prophages varied considerably in response to the different induction agents. The growth curve of lysogenic V. cholerae used in the study drastically varied in the presence of strong prophage inducers like antibiotics and UV. Bacterial cell lysis was directly proportional to increase in phage number due to induction. Morphological characterization of vibriophages by Transmission Electron Microscopy revealed hexagonal heads for all the four phages. Vibriophage ΦALPVC3 exhibited isometric and contractile tails characteristic of family Myoviridae, while phages ΦALPVC11 and ΦALPVC12 demonstrated the typical hexagonal head and non-contractile tail of family Siphoviridae. ΦEKM14, the podophage was distinguished by short non-contractile tail and icosahedral head. This work demonstrated that environmental parameters can influence the viability and cell adsorption rates of V. cholerae phages. Adsorption studies showed 100% adsorption of ΦALPVC3 ΦALPVC11, ΦALPVC12 and ΦEKM14 after 25, 30, 40 and 35 minutes respectively. Exposure to high temperatures ranging from 50ºC to 100ºC drastically reduced phage viability. The optimum concentration of NaCl required for survival of vibriophages except ΦEKM14 was 0.5 M and that for ΦEKM14 was 1M NaCl. Survival of phage particles was maximum at pH 7-8. V. cholerae is assumed to have existed long before their human host and so the pathogenic clones may have evolved from aquatic forms which later colonized the human intestine by progressive acquisition of genes. This is supported by the fact that the vast majority of V. cholerae strains are still part of the natural aquatic environment. CTXΦ has played a critical role in the evolution of the pathogenicity of V. cholerae as it can transmit the ctxAB gene. The unusual transformation of V. cholerae strains associated with epidemics and the emergence of V. cholera O139 demonstrates the evolutionary success of the organism in attaining greater fitness. Genetic changes in pathogenic V. cholerae constitute a natural process for developing immunity within an endemically infected population. The alternative hosts and lysogenic environmental V. cholerae strains may potentially act as cofactors in promoting cholera phage ‘‘blooms’’ within aquatic environments, thereby influencing transmission of phage sensitive, pathogenic V. cholerae strains by aquatic vehicles. Differential induction of the phages is a clear indication of the impact of environmental pollution and global changes on phage induction. The development of molecular biology techniques offered an accessible gateway for investigating the molecular events leading to genetic diversity in the marine environment. Using nucleic acids as targets, the methods of fingerprinting like ERIC PCR and BOX PCR, revealed that the marine environment harbours potentially pathogenic group of bacteria with genetic diversity. The distribution of virulence associated genes in the environmental isolates of V. cholerae provides tangible material for further investigation. Nucleotide and protein sequence analysis alongwith protein structure prediction aids in better understanding of the variation inalleles of same gene in different ecological niche and its impact on the protein structure for attaining greater fitness of pathogens. The evidences of the co-evolution of virulence genes in toxigenic V. cholerae O1 from different lineages of environmental non-O1 strains is alarming. Transduction studies would indicate that the phenomenon of acquisition of these virulence genes by lateral gene transfer, although rare, is not quite uncommon amongst non-O1/non-O139 V. cholerae and it has a key role in diversification. All these considerations justify the need for an integrated approach towards the development of an effective surveillance system to monitor evolution of V. cholerae strains with epidemic potential. Results presented in this study, if considered together with the mechanism proposed as above, would strongly suggest that the bacteriophage also intervenes as a variable in shaping the cholera bacterium, which cannot be ignored and hinting at imminent future epidemics.

Polimorfismos del gen Butirilcolinesterasa responsables de reacciones adversas en pacientes consumidores de “cocaína”

La butirilcolinesterasa humana (BChE; EC 3.1.1.8) es una enzima polimórfica sintetizada en el hígado y en el tejido adiposo, ampliamente distribuida en el organismo y encargada de hidrolizar algunos ésteres de colina como la procaína, ésteres alifáticos como el ácido acetilsalicílico, fármacos como la metilprednisolona, el mivacurium y la succinilcolina y drogas de uso y/o abuso como la heroína y la cocaína. Es codificada por el gen BCHE (OMIM 177400), habiéndose identificado más de 100 variantes, algunas no estudiadas plenamente, además de la forma más frecuente, llamada usual o silvestre. Diferentes polimorfismos del gen BCHE se han relacionado con la síntesis de enzimas con niveles variados de actividad catalítica. Las bases moleculares de algunas de esas variantes genéticas han sido reportadas, entre las que se encuentra las variantes Atípica (A), fluoruro-resistente del tipo 1 y 2 (F-1 y F-2), silente (S), Kalow (K), James (J) y Hammersmith (H). En este estudio, en un grupo de pacientes se aplicó el instrumento validado Lifetime Severity Index for Cocaine Use Disorder (LSI-C) para evaluar la gravedad del consumo de “cocaína” a lo largo de la vida. Además, se determinaron Polimorfismos de Nucleótido Simple (SNPs) en el gen BCHE conocidos como responsables de reacciones adversas en pacientes consumidores de “cocaína” mediante secuenciación del gen y se predijo el efecto delos SNPs sobre la función y la estructura de la proteína, mediante el uso de herramientas bio-informáticas. El instrumento LSI-C ofreció resultados en cuatro dimensiones: consumo a lo largo de la vida, consumo reciente, dependencia psicológica e intento de abandono del consumo. Los estudios de análisis molecular permitieron observar dos SNPs codificantes (cSNPs) no sinónimos en el 27.3% de la muestra, c.293A>G (p.Asp98Gly) y c.1699G>A (p.Ala567Thr), localizados en los exones 2 y 4, que corresponden, desde el punto de vista funcional, a la variante Atípica (A) [dbSNP: rs1799807] y a la variante Kalow (K) [dbSNP: rs1803274] de la enzima BChE, respectivamente. Los estudios de predicción In silico establecieron para el SNP p.Asp98Gly un carácter patogénico, mientras que para el SNP p.Ala567Thr, mostraron un comportamiento neutro. El análisis de los resultados permite proponer la existencia de una relación entre polimorfismos o variantes genéticas responsables de una baja actividad catalítica y/o baja concentración plasmática de la enzima BChE y algunas de las reacciones adversas ocurridas en pacientes consumidores de cocaína.

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.

Aligning sequences to structures

Most newly sequenced proteins are likely to adopt a similar structure to one which has already been experimentally determined. For this reason, the most successful approaches to protein structure prediction have been template-based methods. Such prediction methods attempt to identify and model the folds of unknown structures by aligning the target sequences to a set of representative template structures within a fold library. In this chapter, I discuss the development of template-based approaches to fold prediction, from the traditional techniques to the recent state-of-the-art methods. I also discuss the recent development of structural annotation databases, which contain models built by aligning the sequences from entire proteomes against known structures. Finally, I run through a practical step-by-step guide for aligning target sequences to known structures and contemplate the future direction of template-based structure prediction.

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.

Amino acid pairing preferences in parallel beta-sheets in proteins

Statistical approaches have been applied to examine amino acid pairing preferences within parallel beta-sheets. The main chain hydrogen bonding pattern in parallel beta-sheets means that, for each residue pair, only one of the residues is involved in main chain hydrogen bonding with the strand containing the partner residue. We call this the hydrogen bonded (HB) residue and the partner residue the non-hydrogen bonded (nHB) residue, and differentiate between the favorability of a pair and that of its reverse pair, e.g. Asn(HB)-Thr(nHB)versus Thr(HB)-Asn(nHB). Significantly (p < or = 0.000001) favoured pairings were rationalised using stereochemical arguments. For instance, Asn(HB)-Thr(nHB) and Arg(HB)-Thr(nHB) were favoured pairs, where the residues adopted favoured chi1 rotamer positions that allowed side-chain interactions to occur. In contrast, Thr(HB)-Asn(nHB) and Thr(HB)-Arg(nHB) were not significantly favoured, and could only form side-chain interactions if the residues involved adopted less favourable chi1 conformations. The favourability of hydrophobic pairs e.g. Ile(HB)-Ile(nHB), Val(HB)-Val(nHB) and Leu(HB)-Ile(nHB) was explained by the residues adopting their most preferred chi1 and chi2 conformations, which enabled them to form nested arrangements. Cysteine-cysteine pairs are significantly favoured, although these do not form intrasheet disulphide bridges. Interactions between positively and negatively charged residues were asymmetrically preferred: those with the negatively charged residue at the HB position were more favoured. This trend was accounted for by the presence of general electrostatic interactions, which, based on analysis of distances between charged atoms, were likely to be stronger when the negatively charged residue is the HB partner. The Arg(HB)-Asp(nHB) interaction was an exception to this trend and its favorability was rationalised by the formation of specific side-chain interactions. This research provides rules that could be applied to protein structure prediction, comparative modelling and protein engineering and design. The methods used to analyse the pairing preferences are automated and detailed results are available (http://www.rubic.rdg.ac.uk/betapairprefsparallel/).

Amino acid pairing preferences in parallel beta-sheets in proteins

Statistical approaches have been applied to examine amino acid pairing preferences within parallel beta-sheets. The main chain hydrogen bonding pattern in parallel beta-sheets means that, for each residue pair, only one of the residues is involved in main chain hydrogen bonding with the strand containing the partner residue. We call this the hydrogen bonded (HB) residue and the partner residue the non-hydrogen bonded (nHB) residue, and differentiate between the favourability of a pair and that of its reverse pair, e.g. Asn(HB)-Thr(nHB) versus Thr(HB)-Asn(nHB). Significantly (p <= 0.000001) favoured pairings were rationalised using stereochemical arguments. For instance, Asn(HB)-Thr(nHB) and Arg(HB)-Thr(nHB) were favoured pairs, where the residues adopted favoured chi(1) rotamer positions that allowed side-chain interactions to occur. In contrast, Thr(HB)-Asn(nHB) and Thr(HB)-Arg(nHB) were not significantly favoured, and could only form side-chain interactions if the residues involved adopted less favourable chi(1) conformations. The favourability of hydrophobic pairs e.g. Ile(HB)-Ile(nHB), Val(HB)-Val(nHB) and Leu(HB)-Ile(nHB) was explained by the residues adopting their most preferred chi(1) and chi(2) conformations, which enabled them to form nested arrangements. Cysteine-cysteine pairs are significantly favoured, although these do not form intrasheet disulphide bridges. Interactions between positively and negatively charged residues were asymmetrically preferred: those with the negatively charged residue at the HB position were more favoured. This trend was accounted for by the presence of general electrostatic interactions, which, based on analysis of distances between charged atoms, were likely to be stronger when the negatively charged residue is the HB partner. The Arg(HB)-Asp(nHB) interaction was an exception to this trend and its favourability was rationalised by the formation of specific side-chain interactions. This research provides rules that could be applied to protein structure prediction, comparative modelling and protein engineering and design. The methods used to analyse the pairing preferences are automated and detailed results are available (http:// www.rubic.rdg.ac.uk/betapairprefsparallel/). (c) 2005 Elsevier Ltd. All rights reserved.

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.

Use of essential and molecular dynamics to study gamma B-crystallin unfolding after non-enzymic post-translational modifications

Essential and Molecular Dynamics (ED/MD) have been used to model the conformational changes of a protein implicated in a conformational disease-cataract, the largest cause of blindness in the world-after non-enzymic post-translational modification. Cyanate modification did not significantly alter flexibility, while the Schiff's base adduct produced a more flexible N-terminal domain, and intra-secondary structure regions, than either the cyanate adduct or the native structure. Glycation also increased linker flexibility and disrupted the charge network. A number of post-translational adducts showed structural disruption around Cys15 and increased linker flexibility; this may be important in subsequent protein aggregation. Our modelling results are in accord with experimental evidence, and show that ED/MD is a useful tool in modelling conformational changes in proteins implicated in disease processes. (C) 2003 Published by Elsevier Ltd.

Self-assembly in aqueous solution of a modified amyloid beta peptide fragment

The self-assembly in films dried from aqueous solutions of a modified amyloid beta peptide fragment is studied. We focus on sequence A beta(16-20), KLVFF, extended by two alanines at the N-terminus to give AAKLVFF. Self-assembly into twisted ribbon fibrils is observed, as confirmed by transmission electron microscopy (TEM). Dynamic light scattering reveals the semi-flexible nature of the AAKLVFF fibrils, while polarized optical microscopy shows that the peptide fibrils crystallize after an aqueous solution of AAKLVFF is matured over 5 days. The secondary structure of the fibrils is studied by FT-IR, circular dichroism and X-ray diffraction (XRD), which provide evidence for beta-sheet structure in the fibril. From high resolution TEM it is concluded that the average width of an AAKLVFF fibril is (63 +/- 18) nm, indicating that these fibrils comprise beta-sheets with multiple repeats of the unit cell, determined by XRD to have b and c dimensions 1.9 and 4.4 nm with an a axis 0.96 nm, corresponding to twice the peptide backbone spacing in the antiparallel beta-sheet. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Interactions of KLVFF-PEG peptide conjugate with fibrinogen in neutral aqueous solutions

In this work we report on the interaction of KLVFF-PEG with fibrinogen (Fbg) in neutral aqueous solutions at 20 degrees C, for particular ratios of KLVFF-PEG to Fbg concentration, Delta = CKLVFF-PEG/C-Fbg- Our results show the formation of Fbg/KLVFF-PEG complexes for Delta > 0, such that there is not an extended network of complexes throughout the solution. In addition, cleaved protein and Fbg dimers are identified in the solution for Delta >= 0. There is a dramatic change in the tertiary structure of the Fbg upon KLVFF-PEG binding, although the KLVFF-PEG binds to the Fbg without affecting the secondary structure elements of the glycoprotein.