Searching for novel gene functions in yeast : identification of thousands of novel molecular interactions by protein-fragment complementation assay followed by automated gene function prediction and high-throughput lipidomics

La compréhension de processus biologiques complexes requiert des approches expérimentales et informatiques sophistiquées. Les récents progrès dans le domaine des stratégies génomiques fonctionnelles mettent dorénavant à notre disposition de puissants outils de collecte de données sur l’interconnectivité des gènes, des protéines et des petites molécules, dans le but d’étudier les principes organisationnels de leurs réseaux cellulaires. L’intégration de ces connaissances au sein d’un cadre de référence en biologie systémique permettrait la prédiction de nouvelles fonctions de gènes qui demeurent non caractérisées à ce jour. Afin de réaliser de telles prédictions à l’échelle génomique chez la levure Saccharomyces cerevisiae, nous avons développé une stratégie innovatrice qui combine le criblage interactomique à haut débit des interactions protéines-protéines, la prédiction de la fonction des gènes in silico ainsi que la validation de ces prédictions avec la lipidomique à haut débit. D’abord, nous avons exécuté un dépistage à grande échelle des interactions protéines-protéines à l’aide de la complémentation de fragments protéiques. Cette méthode a permis de déceler des interactions in vivo entre les protéines exprimées par leurs promoteurs naturels. De plus, aucun biais lié aux interactions des membranes n’a pu être mis en évidence avec cette méthode, comparativement aux autres techniques existantes qui décèlent les interactions protéines-protéines. Conséquemment, nous avons découvert plusieurs nouvelles interactions et nous avons augmenté la couverture d’un interactome d’homéostasie lipidique dont la compréhension demeure encore incomplète à ce jour. Par la suite, nous avons appliqué un algorithme d’apprentissage afin d’identifier huit gènes non caractérisés ayant un rôle potentiel dans le métabolisme des lipides. Finalement, nous avons étudié si ces gènes et un groupe de régulateurs transcriptionnels distincts, non préalablement impliqués avec les lipides, avaient un rôle dans l’homéostasie des lipides. Dans ce but, nous avons analysé les lipidomes des délétions mutantes de gènes sélectionnés. Afin d’examiner une grande quantité de souches, nous avons développé une plateforme à haut débit pour le criblage lipidomique à contenu élevé des bibliothèques de levures mutantes. Cette plateforme consiste en la spectrométrie de masse à haute resolution Orbitrap et en un cadre de traitement des données dédié et supportant le phénotypage des lipides de centaines de mutations de Saccharomyces cerevisiae. Les méthodes expérimentales en lipidomiques ont confirmé les prédictions fonctionnelles en démontrant certaines différences au sein des phénotypes métaboliques lipidiques des délétions mutantes ayant une absence des gènes YBR141C et YJR015W, connus pour leur implication dans le métabolisme des lipides. Une altération du phénotype lipidique a également été observé pour une délétion mutante du facteur de transcription KAR4 qui n’avait pas été auparavant lié au métabolisme lipidique. Tous ces résultats démontrent qu’un processus qui intègre l’acquisition de nouvelles interactions moléculaires, la prédiction informatique des fonctions des gènes et une plateforme lipidomique innovatrice à haut débit , constitue un ajout important aux méthodologies existantes en biologie systémique. Les développements en méthodologies génomiques fonctionnelles et en technologies lipidomiques fournissent donc de nouveaux moyens pour étudier les réseaux biologiques des eucaryotes supérieurs, incluant les mammifères. Par conséquent, le stratégie présenté ici détient un potentiel d’application au sein d’organismes plus complexes.

New insights into small molecules inhibitors and protein-protein interactions of VirB8 : a critical conserved component of the type IV secretion system.

Les systèmes bactériens de sécrétion de type IV (T4SS) sont constitués d’un ensemble de 8 à 12 protéines conservées. Ces dernières sont utilisées lors de la translocation de protéines, la translocation de complexes ADN-protéines mais aussi pour le transport de ces derniers au travers de la membrane cellulaire. Les T4SS, en tant que facteurs de virulence pour beaucoup de pathogènes comme Brucella suis, sont donc d’excellents modèles cibles pour le développement de médicaments d’antivirulence. Ces médicaments, en privant le pathogène de son facteur essentiel de virulence : le T4SS, constituent une alternative ou encore une amélioration des traitements antibiotiques utilisés actuellement. VirB8, un facteur d’assemblage conservé dans le T4SS, forme des dimères qui sont importants pour la fonction des T4SS dans ces pathogènes. De par ses interactions multiples, VirB8 est un excellent modèle pour l’analyse des facteurs d’assemblage mais aussi en tant que cible de médicaments qui empêcheraient son interaction avec d’autres protéines et qui, in fine, désarmeraient les bactéries en les privant de leur fonctions essentielles de virulence. À ce jour, nous savons qu’il existe un équilibre monomère-dimère et un processus d’homodimerization de VirB8 dont l’importance est vitale pour la fonctionnement biologique des T4SSs. En se basant sur des essais quantitatifs d’interaction, nous avons identifié (i) des sites potentiels d’interaction avec d’autres protéines VirB du T4SS mais aussi (ii) isolé des petites molécules inhibitrices afin de tester la fonction protéique de VirB8. Afin de déterminer les acides aminés importants pour l’hétérodimérization de VirB8 avec VirB10, nous avons effectué des expériences de mutagenèse aléatoire, de phage display et d’arrimage moléculaire in silico. Ces expériences ont démontré l’importance de trois acides aminés localisés sur le feuillet β : R160, S162, T164 et I165. Ces derniers seraient importants pour l’association de VirB8 avec VirB10 étant donné que leur mutagenèse entraine une diminution de la formation du complexe VirB8-VirB10. L’objectif actuel de notre projet de recherche est de pouvoir mieux comprendre mais aussi d’évaluer le rôle de VirB8 dans l’assemblage du T4SS. Grace à un méthode de criblage adaptée à partir de la structure de VirB8, nous avons pu identifié une petite molécule inhibitrice BAR-068, qui aurait un rôle prometteur dans l’inhibition du T4SS. Nous avons utilisé la spectroscopie par fluorescence, l’essai à deux hybrides, le cross-linking et la cristallographie afin de déterminer le mécanisme d'interaction existant entre VirB8 et BAR-068. Ces travaux pourraient permettre de nombreuses avancées, notamment en termes de compréhension des mécanismes d’inhibition du T4SS. Notre objectif ultime est de pouvoir caractériser la séquence d’évènements essentiels à l’assemblage et au fonctionnement du T4SS. De manière globale, notre projet de recherche permettrait de révéler les grands principes d’assemblage des protéines membranaires, les processus de sécrétion de protéines chez les bactéries mais aussi de proposer une nouvelle stratégie lors du développement de drogues antimicrobiennes.

Protein Microarray: "Theory" to "Real Practice"

Fueled by ever-growing genomic information and rapid developments of proteomics–the large scale analysis of proteins and mapping its functional role has become one of the most important disciplines for characterizing complex cell function. For building functional linkages between the biomolecules, and for providing insight into the mechanisms of biological processes, last decade witnessed the exploration of combinatorial and chip technology for the detection of bimolecules in a high throughput and spatially addressable fashion. Among the various techniques developed, the protein chip technology has been rapid. Recently we demonstrated a new platform called “Spacially addressable protein array” (SAPA) to profile the ligand receptor interactions. To optimize the platform, the present study investigated various parameters such as the surface chemistry and role of additives for achieving high density and high-throughput detection with minimal nonspecific protein adsorption. In summary the present poster will address some of the critical challenges in protein micro array technology and the process of fine tuning to achieve the optimum system for solving real biological problems.

SCAPA (Spacially Addressable Protein Array) – a Novel Protein Array for the Differential Profiling of Ligand-receptor Induced Signalling

While protein microarray technology has been successful in demonstrating its usefulness for large scale high-throughput proteome profiling, performance of antibody/antigen microarrays has been only moderately productive. Immobilization of either the capture antibodies or the protein samples on solid supports has severe drawbacks. Denaturation of the immobilized proteins as well as inconsistent orientation of antibodies/ligands on the arrays can lead to erroneous results. This has prompted a number of studies to address these challenges by immobilizing proteins on biocompatible surfaces, which has met with limited success. Our strategy relates to a multiplexed, sensitive and high-throughput method for the screening quantification of intracellular signalling proteins from a complex mixture of proteins. Each signalling protein to be monitored has its capture moiety linked to a specific oligo ‘tag’. The array involves the oligonucleotide hybridization-directed localization and identification of different signalling proteins simultaneously, in a rapid and easy manner. Antibodies have been used as the capture moieties for specific identification of each signaling protein. The method involves covalently partnering each antibody/protein molecule with a unique DNA or DNA derivatives oligonucleotide tag that directs the antibody to a unique site on the microarray due to specific hybridization with a complementary tag-probe on the array. Particular surface modifications and optimal conditions allowed high signal to noise ratio which is essential to the success of this approach.

Hepatitis C virus NS5A protein binds the SH3 domain of the Fyn tyrosine kinase with high affinity: mutagenic analysis of residues within the SH3 domain that contribute to the interaction

Background: The hepatitis C virus (HCV) non-structural 5A protein (NS5A) contains a highly conserved C-terminal polyproline motif with the consensus sequence Pro-X-X- Pro-X-Arg that is able to interact with the Src-homology 3 (SH3) domains of a variety of cellular proteins. Results: To understand this interaction in more detail we have expressed two N-terminally truncated forms of NS5A in E. coli and examined their interactions with the SH3 domain of the Src-family tyrosine kinase, Fyn. Surface plasmon resonance analysis revealed that NS5A binds to the Fyn SH3 domain with what can be considered a high affinity SH3 domain-ligand interaction (629 nM), and this binding did not require the presence of domain I of NS5A (amino acid residues 32-250). Mutagenic analysis of the Fyn SH3 domain demonstrated the requirement for an acidic cluster at the C-terminus of the RT-Src loop of the SH3 domain, as well as several highly conserved residues previously shown to participate in SH3 domain peptide binding. Conclusion: We conclude that the NS5A: Fyn SH3 domain interaction occurs via a canonical SH3 domain binding site and the high affinity of the interaction suggests that NS5A would be able to compete with cognate Fyn ligands within the infected cell.

Fas ligand-induced apoptosis is regulated by nitric oxide through the inhibition of fas receptor clustering and the nitrosylation of protein kinase Cepsilon

Apoptosis induced by the death-inducing ligand FasL (CD95L) is a major mechanism of cell death. Trophoblast cells express the Fas receptor yet survive in an environment that is rich in the ligand. We report that basal nitric oxide (NO) production is responsible for the resistance of trophoblasts to FasL-induced apoptosis. In this study we demonstrate that basal NO production resulted in the inhibition of receptor clustering following ligand binding. In addition NO also protected cells through the selective nitrosylation, and inhibition, of protein kinase Cepsilon (PKCepsilon) but not PKCalpha. In the absence of NO production PKCepsilon interacted with, and phosphorylated, the anti-apoptotic protein cFLIP. The interaction is predominantly with the short form of cFLIP and its phosphorylation reduces its recruitment to the death-inducing signaling complex (DISC) that is formed following binding of a death-inducing ligand to its receptor. Inhibition of cFLIP recruitment to the DISC leads to increased activation of caspase 8 and subsequently to apoptosis. Inhibition of PKCepsilon using siRNA significantly reversed the sensitivity to apoptosis induced by inhibition of NO synthesis suggesting that NO-mediated inhibition of PKCepsilon plays an important role in the regulation of Fas-induced apoptosis.

Analysis of protein-protein interactions in the feline calicivirus replication complex

Caliciviruses are a major cause of gastroenteritis in humans and cause a wide variety of other diseases in animals. Here, the characterization of protein-protein interactions between the individual proteins of Feline calicivirus (FCV), a model system for other members of the family Caliciviridae, is reported. Using the yeast two-hybrid system combined with a number of other approaches, it is demonstrated that the p32 protein (the picornavirus 2B analogue) of FCV interacts with p39 (2C), p30 (3A) and p76 (3CD). The FCV protease/RNA polymerase (ProPol) p76 was found to form homo-oligomers, as well as to interact with VPg and ORF2, the region encoding the major capsid protein VP1. A weak interaction was also observed between p76 and the minor capsid protein encoded by ORF3 (VP2). ORF2 protein was found to interact with VPg, p76 and VP2. The potential roles of the interactions in calicivirus replication are discussed.

Oligomers of D-2 dopamine receptors - Evidence from ligand binding

There is increasing evidence that G protein-coupled receptors form oligomers and that this might be important for their function. We have studied this phenomenon for the D-2 dopamine receptor and have shown-using a variety of biochemical and biophysical techniques-that this receptor forms dimers or higher-order oligomers. Using ligand-binding studies, we have also found evidence that this oligomer formation has functional relevance. Thus, for the receptor expressed in either CHO cells or Sf 9 insect cells, the binding properties of several radioligands (in saturation, competition, and dissociation assays) do not conform to those expected for a monomeric receptor with a single binding site. We propose that the receptors exist in oligomers with homotropic and heterotropic negatively cooperative interactions between ligands.

Oligomers of D-2 dopamine receptors: evidence from ligand binding

There is increasing evidence that G protein-coupled receptors form oligomers and that this might be important for their function. We have studied this phenomenon for the D-2 dopamine receptor and have shown-using a variety of biochemical and biophysical techniques-that this receptor forms dimers or higher-order oligomers. Using ligand-binding studies, we have also found evidence that this oligomer formation has functional relevance. Thus, for the receptor expressed in either CHO cells or Sf 9 insect cells, the binding properties of several radioligands (in saturation, competition, and dissociation assays) do not conform to those expected for a monomeric receptor with a single binding site. We propose that the receptors exist in oligomers with homotropic and heterotropic negatively cooperative interactions between ligands

Neoglycolipid probes prepared via oxime ligation for microarray analysis of oligosaccharide-protein interactions

Neoglycolipid technology is the basis of a microarray platform for assigning oligosaccharide ligands for carbohydrate-binding proteins. The strategy for generating the neoglycolipid probes by reductive amination results in ring opening of the core monosaccharides. This often limits applicability to short-chain saccharides, although the majority of recognition motifs are satisfactorily presented with neoglycolipids of longer oligosaccharides. Here, we describe neoglycolipids prepared by oxime ligation. We provide evidence from NMR studies that a significant proportion of the oxime-linked core monosaccharide is in the ring-closed form, and this form selectively interacts with a carbohydrate-binding protein. By microarray analyses we demonstrate the effective presentation with oxime-linked neoglycolipids of (1) Lewis(x) trisaccharide to antibodies to Lewisx, (2) sialyllactose analogs to the sialic acid-binding receptors, siglecs, and (3) N-glycans to a plant lectin that requires an intact N-acetylglucosamine core.

Ligand dynamics in myoglobin: calculation of infrared spectra for photodissociated NO

We present molecular dynamics simulations of the photodissociated state of MbNO performed at 300 K using a fluctuating charge model for the nitric oxide (NO) ligand. After dissociation, NO is observed to remain mainly in the centre of the distal haem pocket, although some movement towards the primary docking site and the xenon-4 pocket can be seen. We calculate the NO infrared spectrum for the photodissociated ligand within the haem pocket and find a narrow peak in the range 1915-1922 cm(-1). The resulting blue shift of 1 to 8 cm(-1) compared to gas-phase NO is much smaller than the red shifts calculated and observed for carbon monoxide (CO) in Mb. A small splitting, due to NO in the xenon-4 pocket, is also observed. At lower temperatures, the spectra and conformational space explored by the ligand remain largely unchanged, but the electrostatic interactions with residue His64 become increasingly significant in determining the details of the ligand orientation within the distal haem pocket. The investigation of the effect of the L29F mutation reveals significant differences between the behaviour of NO and that of CO, and suggests a coupling between the ligand and the protein dynamics due to the different ligand dipole moments.