Protein folding, metal ions and conformational states: the case of a di-cluster ferredoxin

Dissertation presented to obtain the PhD degree in Biochemistry at the Instituto de Tecnologia Química e Biológica, Universidade Nova de Lisboa

Artefacts induced on c-type haem proteins by electrode surfaces

J Biol Inorg Chem (2011) 16:209–215 DOI 10.1007/s00775-010-0717-z

Estudis funcionals i de plegament dels dominis d'activació de les procarboxipeptidases

Els dominis d’activació (ADs) de les procarboxipeptidases de la subfamília A/B sempre han sorprès ja que representen una quarta part del proenzim. S’han realitzat alguns estudis per intentar descobrir-ne alguna possible funció alternativa, però no han estat fructífers. El descobriment de l’elevada velocitat de plegament del domini d’activació de la procarboxipeptidasa A2 humana, (ADA2h), emperò, va portar a proposar la possibilitat de que realitzessin una funció d’assistència al plegament del domini enzimàtic. Posteriorment, l’anàlisi del plegament d’ADA2h a pH baix va revelar la capacitat d’aquest domini per formar fibres amiloides, a més de demostrar que un increment de l’estabilitat proteica podia prevenir la formació d’aquests agregats. La profunda caracterització del plegament d’ADA2h va fer que aquesta proteïna fos un bon model amiloidogènic, de manera que es van proposar un seguit d’experiments que s’han desenvolupat en el present treball per tal de conèixer millor aquest procés. S’han dut a terme estudis cinètics d’agregació per tal de valorar la contribució dels diferents aminoàcids de la seqüència polipeptídica, utilitzant 29 variants puntuals d’ADA2h. Es va eliminar la contribució de l’estabilitat mitjançant la utilització d’urea, i per dicroïsme circular conjuntament amb un aparell de flux detingut, es van obtenir dues velocitats diferents, v1 i v2, que corresponen a la formació d’un intermediari i a la seva reorganització, respectivament. Experiments complementaris utilitzant espectroscòpia d’infraroig (IR) revelaren la reorganització de l’estat natiu (en aquest cas) per a donar la forma agregada. Les cinètiques d’IR van mostrar que ADA2h forma l’estructura _ típica de les fibres amiloides, previ desplegament les seves hèlixs-_. Finalment, s’han realitzat estudis de biocomputació per tal d’esbrinar possibles funcions alternatives dels ADs. Les superposicions estructurals semblen mostrar similaritat dels ADs amb dominis de reconeixement d’RNA (RRM). Aquesta hipòtesi s’ha comprovat experimentalment amb ADA4h, mostrant una dèbil, però existent, unió a RNA.

Organisation structurale du noyau et de microtubules de cellules de mammifères observés par cryo-microscopie électronique de sections hydratées

RESUME L'architecture nucléaire ainsi que l'ultrastructure des microtubules ont été abondamment étudiées par des méthodes cytochimiques utilisant des échantillons fixés chimiquement, enrobés dans des résines ou fixés à basse température. Les échantillons fixés à basse température pouvant aussi avoir été substitués, déshydratés et enrobés dans des résines pour la plupart hydrophiles. Ici, nous avons étendu ces études en utilisant la microscopie électronique effectuée sur des sections hydratées (CEMOVIS) permettant d'observer les échantillons dans un état le plus proche de leur état natif. De plus, nous avons effectué de la tomographie électronique sur des sections hydratées (TOVIS) afin d'obtenir une vision tridimensionnelle de : 1) la périphérie du noyau et de la région périchromatinienne et 2) de la lumière des microtubules. Concernant l'architecture nucléaire Nos observations montrent que le nucléole et la chromatine condensée sont facilement visualisés grâce à la texture spécifique qu'ils arborent. Au contraire, la visualisation de domaines nucléaires importants et spécialement ceux qui contiennent des ribonucléoprotéines, est rendue difficile, à cause du faible contraste qui caractérise l'espace interchromatinien. Ceci est essentiellement dû à la quantité d'information présente dans le volume de la section qui semble être superposée, lorsque observée sur des micrographies en deux dimensions. La tomographie nous a permis de mieux visualiser les différentes régions du noyau. Les mottes de chromatine condensée sont décorées à leur périphérie (région périchromatinienne), par nombre de fibrilles et granules. Des tunnels d'espace interchromatinien sont occasionnellement observés en train de traverser des régions de chromatine condensée favorisant l'accès aux pores nucléaires. Enfin, nous avons pu, au niveau d'un pore unique, observer la plupart des structures caractéristiques du complexe de pore nucléaire. Concernant l'ultrastructure des microtubules: Nous avons démontré que la polarité d'un microtubule observé in situ en section transversale, par CEMOVIS, est directement déduite de l'observation de la chiralité de ses protofilaments. Cette chiralité, a été établie précédemment comme étant liée à la morphologie des sous unités de tubuline. La tomographie électronique effectuée sur des sections hydratées, nous a permis d'observer les microtubules dans leur contexte cellulaire avec une résolution suffisante pour visualiser des détails moléculaires, comme les monomères de tubuline. Ainsi, des molécules n'ayant pas encore été caractérisées, ont été observées dans la lumière des microtubules. Ces observations ont été effectuées autant sur des cellules observées en coupe par CEMOVIS que sur des cellules congelées dans leur totalité par immersion dans un bain d'éthane liquide. Enfin, nous avons montré que les microtubules étaient aussi de formidables objets, permettant une meilleure compréhension des artéfacts de coupe occasionnés lors de la préparation des échantillons par CEMOVIS. Les buts des études qui seront menées â la suite de ce travail seront de 1) essayer de localiser des domaines nucléaires spécifiques par des approches cytochimiques avant la congélation des cellules. 2) Appliquer des méthodes de moyennage afin d'obtenir un modèle tridimensionnel de la structure du complexe de pore nucléaire dans son contexte cellulaire. 3) Utiliser des approches biochimiques afin de déterminer la nature exacte des particules qui se trouvent dans la lumière des microtubules. ABSTRACT Nuclear architecture as well as microtubule ultrastructure have been extensively investigated by means of different methods of ultrastructural cytochemistry using chemically fixed and resin embedded samples or following cryofixation, cryosubstitution and embedding into various, especially partially hydrophilic resins. Here, we extend these studies using cryoelectron microscopy of vitreous sections (CEMOVIS) which allows one to observe the specimen as close as possible to its native state. Furthermore, we applied cryoelectron tomography of vitreous sections (TOVIS) in order to obtain athree-dimensional view of: 1) the nuclear periphery, and of the perichromatin region, and 2) the microtubule lumen. Concerning the nuclear architecture: Our observations show that nucleoli and condensed chromatin are well recognisable due to their specific texture. Conversely, the visualisation of other important nuclear domains, especially those containing ribonucleoproteins, is seriously hampered by a generally low contrast of the interchromatin region. This is mainly due to the plethora of information superposed in the volume of the section observed on two-dimensional micrographs. Cryoelectron tomography allowed us to better visualise nuclear regions. Condensed chromatin clumps are decorated on their periphery, the perichromatin region, by numerous fibrils and granules. Tunnels of interchromatin space can occasionally be found as crossing condensed chromatin regions, thus, allowing the access to nuclear pores. Finally, we were able to use TOVIS to directly distinguish most of the nuclear pore complex structures, at the level of a single pore. Concerning the microtubule ultrastructure: We have demonstrated that the polarity of across-sectioned microtubule observed in situ by CEMOVIS wás directly deducible from the visualisation of the tubulin protofiíaments' chirality. This chirality has been established before as related to the shape. of the tubulin subunits. Cryoelectron tomography allowed us to observe microtubules in their cellular context at a resolution sufficient to resolve molecular details such as their tubulin monomers. In this way, uncharacterized molecules were visualised in the microtubule lumen. These observations were made either on samples prepared by CEMOVIS or plunge freezing of whole cells. Finally, we have shown that microtubules are also relevant objects for the understanding of cutting artefacts, when performing CEMOVIS. The goals of our further studies will be to: 1) try to speciifically target different nuclear domains by cytochemical approaches in situ, prior to cryofixation. 2) Apply averaging methods in order to obtain a three-dimensional model of the nuclear pore complex at work, in its cellular context. 3) Use biochemical analysis combined in a second time to immunocytochemical approaches, to determine the exact nature of the microtubule's luminal particles.

GroEL and CCT are catalytic unfoldases mediating out-of-cage polypeptide refolding without ATP.

Chaperonins are cage-like complexes in which nonnative polypeptides prone to aggregation are thought to reach their native state optimally. However, they also may use ATP to unfold stably bound misfolded polypeptides and mediate the out-of-cage native refolding of large proteins. Here, we show that even without ATP and GroES, both GroEL and the eukaryotic chaperonin containing t-complex polypeptide 1 (CCT/TRiC) can unfold stable misfolded polypeptide conformers and readily release them from the access ways to the cage. Reconciling earlier disparate experimental observations to ours, we present a comprehensive model whereby following unfolding on the upper cavity, in-cage confinement is not needed for the released intermediates to slowly reach their native state in solution. As over-sticky intermediates occasionally stall the catalytic unfoldase sites, GroES mobile loops and ATP are necessary to dissociate the inhibitory species and regenerate the unfolding activity. Thus, chaperonin rings are not obligate confining antiaggregation cages. They are polypeptide unfoldases that can iteratively convert stable off-pathway conformers into functional proteins.

Dicarboxylic amino acids and glycine-betaine regulate chaperone-mediated protein-disaggregation under stress.

Active protein-disaggregation by a chaperone network composed of ClpB and DnaK + DnaJ + GrpE is essential for the recovery of stress-induced protein aggregates in vitro and in Escherichia coli cells. K-glutamate and glycine-betaine (betaine) naturally accumulate in salt-stressed cells. In addition to providing thermo-protection to native proteins, we found that these osmolytes can strongly and specifically activate ClpB, resulting in an increased efficiency of chaperone-mediated protein disaggregation. Moreover, factors that inhibited the chaperone network by impairing the stability of the ClpB oligomer, such as natural polyamines, dilution, or high salt, were efficiently counteracted by K-glutamate or betaine. The combined protective, counter-negative and net activatory effects of K-glutamate and betaine, allowed protein disaggregation and refolding under heat-shock temperatures that otherwise cause protein aggregation in vitro and in the cell. Mesophilic organisms may thus benefit from a thermotolerant osmolyte-activated chaperone mechanism that can actively rescue protein aggregates, correctly refold and maintain them in a native state under heat-shock conditions.

"In vitro" study of the molecular mechanism of the "E.Coli" Hsp 70/Hsp40/NEF chaperone system and its interactions with ?-sinuclein

SUMMARY Under stressful conditions, mutant or post-translationally modified proteins may spontaneously misfold and form toxie species, which may further assemble into a continuum of increasingly large and insoluble toxic oligomers that may further condense into less toxic, compact amyloids in the cell Intracellular accumulation of aggregated proteins is a common denominator of several neurodegenerative diseases. To cope with the cytotoxicity induced by abnormal, aggregated proteins, cells have evolved various defence mechanisms among which, the molecular chaperones Hsp70. Hsp70 (DnaK in E. coii) is an ATPase chaperone involved in many physiological processes in the cell, such as assisting de novo protein folding, dissociating native protein oligomers and serving as pulling motors in the import of polypeptides into organelles. In addition, Hsp70 chaperones can actively solubilize and reactivate stable protein aggregates, such as heat- or mutation-induced aggregates. Hsp70 requires the cooperation of two other co-chaperones: Hsp40 and NEF (Nucleotide exchange factor) to fulfil its unfolding activity. In the first experimental section of this thesis (Chapter II), we studied by biochemical analysis the in vitro interaction between recombinant human aggregated α-synuclein (a-Syn oligomers) mimicking toxic a-Syn oligomers species in PD brains, with a model Hsp70/Hsp40 chaperone system (the E. coii DnaK/DnaJ/GrpE). We found that chaperone-mediated unfolding of two denatured model enzymes were strongly affected by α-Syn oligomers but, remarkably, not by monomers. This in vitro observed dysfunction of the Hsp70 chaperone system resulted from the sequestration of the Hsp40 proteins by the oligomeric α-synuclein species. In the second experimental part (Chapter III), we performed in vitro biochemical analysis of the co-chaperone function of three E. coii Hsp40s proteins (DnaJ, CbpA and DjlA) in the ATP-fuelled DnaK-mediated refolding of a model DnaK chaperone substrate into its native state. Hsp40s activities were compared using dose-response approaches in two types of in vitro assays: refolding of heat-denatured G6PDH and DnaK-mediated ATPase activity. We also observed that the disaggregation efficiency of Hsp70 does not directly correlate with Hsp40 binding affinity. Besides, we found that these E. coii Hsp40s confer substrate specificity to DnaK, CbpA being more effective in the DnaK-mediated disaggregation of large G6PDH aggregates than DnaJ under certain conditions. Sensibilisées par différents stress ou mutations, certaines protéines fonctionnelles de la cellule peuvent spontanément se convertir en formes inactives, mal pliées, enrichies en feuillets bêta, et exposant des surfaces hydrophobes favorisant l'agrégation. Cherchant à se stabiliser, les surfaces hydrophobes peuvent s'associer aux régions hydrophobes d'autres protéines mal pliées, formant des agrégats protéiques stables: les amyloïdes. Le dépôt intracellulaire de protéines agrégées est un dénominateur commun à de nombreuses maladies neurodégénératives. Afin de contrer la cytotoxicité induite par les protéines agrégées, les cellules ont développé plusieurs mécanismes de défense, parmi lesquels, les chaperonnes moléculaires Hsp70. Hsp70 nécessite la collaboration de deux autres co-chaperonnes : Hsp40 et NEF pour accomplir son activité de désagrégation. Hsp70 (DnaK, chez E. coli) est impliquée par ailleurs dans d'autres fonctions physiologiques telles que l'assistanat de protéines néosynthétisées à la sortie du ribosome, ou le transport transmembranaire de polypeptides. Par ailleurs, les chaperonnes Hsp70 peuvent également solubiliser et réactiver des protéines agrégées à la suite d'un stress ou d'une mutation. Dans la première partie expérimentale de cette thèse (Chapter II), nous avons étudié in vitro l'interaction entre les oligomères d'a-synucleine, responsables entre autres, de la maladie de Parkinson, et le système chaperon Hsp70/Hsp40 (système Escherichia coli DnaK/DnaJ/GrpE). Nous avons démontré que contrairement aux monomères, les oligomères d'a-synucleine inhibaient le système chaperon lors du repliement de protéines agrégées. Cette dysfonction du système chaperon résulte de la séquestration des chaperonnes Hsp40 par les oligomères d'a-synucleine. La deuxième partie expérimentale (Chapitre III) est consacrée à une étude in vitro de la fonction co-chaperonne de trois Hsp40 d'is. coli (DnaJ, CbpA, et DjlA) lors de la désagrégation par DnaK d'une protéine pré-agrégée. Leurs activités ont été comparées par le biais d'une approche dose-réponse au niveau de deux analyses enzymatiques: le repliement de la protéine agrégée et l'activité ATPase de DnaK. Par ailleurs, nous avons mis en évidence que l'efficacité de désagrégation d'Hsp70 et l'affinité des chaperonnes Hsp40 vis-à-vis de leur substrat n'étaient pas corrélées positivement. Nous avons également montré que ces trois chaperonnes Hsp40 étaient directement impliquées dans la spécificité des fonctions accomplies par les chaperonnes Hsp70. En effet, DnaK en présence de CbpA assure la désagrégation de large agrégats protéiques avec une efficacité nettement plus accrue qu'en présence de DnaJ.

The structure of nervous tissue and of Gram-positive bacteria studied by cryo-electron microscopy of vitreous sections

Résumé La structure, ou l'architecture, des êtres vivants définit le cadre dans lequel la physique de la vie s'accomplit. La connaissance de cette structure dans ses moindres détails est un but essentiel de la biologie. Son étude est toutefois entravée par des limitations techniques. Malgré son potentiel théorique, la microscopie électronique n'atteint pas une résolution atomique lorsqu'elle est appliquée ä la matièxe biologique. Cela est dû en grande partie au fait qu'elle contient beaucoup d'eau qui ne résiste pas au vide du microscope. Elle doit donc être déshydratée avant d'être introduite dans un microscope conventionnel. Des artéfacts d'agrégation en découlent inévitablement. La cryo-microscopie électronique des sections vitreuses (CEMOVIS) a ëté développée afin de résoudre cela. Les spécimens sont vitrifiés, c.-à-d. que leur eau est immobilisée sans cristalliser par le froid. Ils sont ensuite coupés en sections ultrafines et celles-ci sont observées à basse température. Les spécimens sont donc observés sous forme hydratée et non fixée; ils sont proches de leur état natif. Durant longtemps, CEMOVIS était très difficile à exécuter mais ce n'est plus le cas. Durant cette thèse, CEMOVIS a été appliqué à différents spécimens. La synapse du système nerveux central a été étudiée. La présence dans la fente synaptique d'une forte densité de molécules organisées de manière périodique a été démontrée. Des particules luminales ont été trouvées dans Ies microtubules cérébraux. Les microtubules ont servi d'objets-test et ont permis de démontrer que des détails moléculaires de l'ordre du nm sont préservés. La compréhension de la structure de l'enveloppe cellulaire des bactéries Grampositives aété améliorée. Nos observations ont abouti à l'élaboration d'un nouveau modèle hypothétique de la synthèse de la paroi. Nous avons aussi focalisé notre attention sur le nucléoïde bactérien et cela a suscité un modèle de la fonction des différents états structuraux du nucléoïde. En conclusion, cette thèse a démontré que CEMOVIS est une excellente méthode poux étudier la structure d'échantillons biologiques à haute résolution. L'étude de la structure de divers aspects des êtres vivants a évoqué des hypothèses quant à la compréhension de leur fonctionnement. Summary The structure, or the architecture, of living beings defines the framework in which the physics of life takes place. Understanding it in its finest details is an essential goal of biology. Its study is however hampered by technical limitations. Despite its theoretical potential, electron microscopy cannot resolve individual atoms in biological matter. This is in great part due to the fact. that it contains a lot of water that cannot stand the vacuum of the microscope. It must therefore be dehydrated before being introduced in a conventional mìcroscope. Aggregation artefacts unavoidably happen. Cryo-electron microscopy of vitreous sections (CEMOVIS) has been developed to solve this problem. Specimens are vitrified, i.e. they are rapidly cooled and their water is immobilised without crystallising by the cold. They are then. sectioned in ultrathin slices, which are observed at low temperatures. Specimens are therefore observed in hydrated and unfixed form; they are close to their native state. For a long time, CEMOVIS was extremely tedious but this is not the case anymore. During this thesis, CEMOVIS was applied to different specimens. Synapse of central nervous system was studied. A high density of periodically-organised molecules was shown in the synaptic cleft. Luminal particles were found in brain microtubules. Microtubules, used as test specimen, permitted to demonstrate that molecular details of the order of nm .are preserved. The understanding of the structure of cell envelope of Gram-positive bacteria was improved. Our observations led to the elaboration of a new hypothetic model of cell wall synthesis. We also focused our attention on bacterial nucleoids and this also gave rise to a functional model of nucleoid structural states. In conclusion, this thesis demonstrated that CEMOVIS is an excellent method for studying the structure of bìologìcal specimens at high resolution. The study of the structure of various aspects of living beings evoked hypothesis for their functioning.

Molecular chaperones as enzymes that catalytically unfold misfolded polypeptides.

Stress-denatured or de novo synthesized and translocated unfolded polypeptides can spontaneously reach their native state without assistance of other proteins. Yet, the pathway to native folding is complex, stress-sensitive and prone to errors. Toxic misfolded and aggregated conformers may accumulate in cells and lead to degenerative diseases. Members of the canonical conserved families of molecular chaperones, Hsp100s, Hsp70/110/40s, Hsp60/CCTs, the small Hsps and probably also Hsp90s, can recognize and bind with high affinity, abnormally exposed hydrophobic surfaces on misfolded and aggregated polypeptides. Binding to Hsp100, Hsp70, Hsp110, Hsp40, Hsp60, CCTs and Trigger factor may cause partial unfolding of the misfolded polypeptide substrates, and ATP hydrolysis can induce further unfolding and release from the chaperone, leading to spontaneous refolding into native proteins with low-affinity for the chaperones. Hence, specific chaperones act as catalytic polypeptide unfolding isomerases, rerouting cytotoxic misfolded and aggregated polypeptides back onto their physiological native refolding pathway, thus averting the onset of protein conformational diseases.

3D solutions in transmission electron (Cryo) -microscopy in biology

One of the main problems in transmission electron microscopy in thebiological field is the tri-dimensionality. This article explains the technicalprocedures and requirements to prepare biological specimens preserving themclosest to their native state to perform 3D reconstruction of the macromolecularcomplexes and cellular structures in their natural environment.

Mechanistic insights into cytosolic molecular chaperones in protein unfolding and disaggregation

Under optimal non-physiological conditions of low concentrations and low temperatures, proteins may spontaneously fold to the native state, as all the information for folding lies in the amino acid sequence of the polypeptide. However, under conditions of stress or high protein crowding as inside cells, a polypeptide may misfold and enter an aggregation pathway resulting in the formation of misfolded conformers and fibrils, which can be toxic and lead to neurodegenerative illnesses, such as Alzheimer's, Parkinson's or Huntington's diseases and aging in general. To avert and revert protein misfolding and aggregation, cells have evolved a set of proteins called molecular chaperones. Here, I focussed on the human cytosolic chaperones Hsp70 (DnaK) and HspllO, and co-chaperone Hsp40 (DnaJ), and the chaperonin CCT (GroEL). The cytosolic molecular chaperones Hsp70s/Hspll0s and the chaperonins are highly upregulated in bacterial and human cells under different stresses and are involved both in the prevention and the reversion of protein misfolding and aggregation. Hsp70 works in collaboration with Hsp40 to reactivate misfolded or aggregated proteins in a strict ATP dependent manner. Chaperonins (CCT and GroEL) also unfold and reactivate stably misfolded proteins but we found that it needed to use the energy of ATP hydrolysis in order to evict over- sticky misfolded intermediates that inhibited the unfoldase catalytic sites. Ill In this study, we initially characterized a particular type of inactive misfolded monomeric luciferase and rhodanese species that were obtained by repeated cycles of freeze-thawing (FT). These stable misfolded monomeric conformers (FT-luciferase and FT-rhodanese) had exposed hydrophobic residues and were enriched with wrong ß-sheet structures (Chapter 2). Using FT-luciferase as substrate, we found that the Hsp70 orthologs, called HspllO (Sse in yeast), acted similarly to Hsp70 as were bona fide ATP- fuelled polypeptide unfoldases and was much more than a mere nucleotide exchange factor, as generally thought. Moreover, we found that HspllO collaborated with Hsp70 in the disaggregation of stable protein aggregates in which Hsp70 and HspllO acted as equal partners that synergistically combined their individual ATP-consuming polypeptide unfoldase activities to reactivate the misfolded/aggregated proteins (Chapter 3). Using FT-rhodanese as substrate, we found that chaperonins (GroEL and CCT) could catalytically reactivate misfolded rhodanese monomers in the absence of ATP. Also, our results suggested that encaging of an unfolding polypeptide inside the GroEL cavity under a GroES cap was not an obligatory step as generally thought (Chapter 4). Further, we investigated the role of Hsp40, a J-protein co-chaperone of Hsp70, in targeting misfolded polypeptides substrates onto Hsp70 for unfolding. We found that even a large excess of monomeric unfolded a-synuclein did not inhibit DnaJ, whereas, in contrast, stable misfolded a-synuclein oligomers strongly inhibited the DnaK-mediated chaperone reaction by way of sequestering the DnaJ co-chaperone. This work revealed that DnaJ could specifically distinguish, and bind potentially toxic stably aggregated species, such as soluble a-synuclein oligomers involved in Parkinson's disease, and with the help of DnaK and ATP convert them into from harmless natively unfolded a-synuclein monomers (chapter 5). Finally, our meta-analysis of microarray data of plant and animal tissues treated with various chemicals and abiotic stresses, revealed possible co-expressions between core chaperone machineries and their co-chaperone regulators. It clearly showed that protein misfolding in the cytosol elicits a different response, consisting of upregulating the synthesis mainly of cytosolic chaperones, from protein misfolding in the endoplasmic reticulum (ER) that elicited a typical unfolded protein response (UPR), consisting of upregulating the synthesis mainly of ER chaperones. We proposed that drugs that best mimicked heat or UPR stress at increasing the chaperone load in the cytoplasm or ER respectively, may prove effective at combating protein misfolding diseases and aging (Chapter 6).  - Dans les conditions optimales de basse concentration et de basse température, les protéines vont spontanément adopter un repliement natif car toutes les informations nécessaires se trouvent dans la séquence des acides aminés du polypeptide. En revanche, dans des conditions de stress ou de forte concentration des protéines comme à l'intérieur d'une cellule, un polypeptide peu mal se replier et entrer dans un processus d'agrégation conduisant à la formation de conformères et de fibrilles qui peuvent être toxiques et causer des maladies neurodégénératives comme la maladie d'Alzheimer, la maladie de Parkinson ou la chorée de Huntington. Afin d'empêcher ou de rectifier le mauvais repliement des protéines, les cellules ont développé des protéines appelées chaperonnes. Dans ce travail, je me suis intéressé aux chaperonnes cytosoliques Hsp70 (DnaK) et HspllO, la co-chaperones Hsp40 (DnaJ), le complexe CCT/TRiC et GroEL. Chez les bactéries et les humains, les chaperonnes cytosoliques Hsp70s/Hspl 10s et les « chaperonines» sont fortement activées par différentes conditions de stress et sont toutes impliquées dans la prévention et la correction du mauvais repliement des protéines et de leur agrégation. Hsp70 collabore avec Hsp40 pour réactiver les protéines agrégées ou mal repliées et leur action nécessite de 1ATP. Les chaperonines (GroEL) déplient et réactivent aussi les protéines mal repliées de façon stable mais nous avons trouvé qu'elles utilisent l'ATP pour libérer les intermédiaires collant et mal repliés du site catalytique de dépliage. Nous avons initialement caractérisé un type particulier de formes stables de luciférase et de rhodanese monomériques mal repliées obtenues après plusieurs cycles de congélation / décongélation répétés (FT). Ces monomères exposaient des résidus hydrophobiques et étaient plus riches en feuillets ß anormaux. Ils pouvaient cependant être réactivés par les chaperonnes Hsp70+Hsp40 (DnaK+DnaJ) et de l'ATP, ou par Hsp60 (GroEL) sans ATP (Chapitre 2). En utilisant la FT-Luciferase comme substrat nous avons trouvé que HspllO (un orthologue de Hsp70) était une authentique dépliase, dépendante strictement de l'ATP. De plus, nous avons trouvé que HspllO collaborait avec Hsp70 dans la désagrégation d'agrégats stables de protéines en combinant leurs activités dépliase consommatrice d'ATP (Chapitre 3). En utilisant la FT-rhodanese, nous avons trouvé que les chaperonines (GroEL et CCT) pouvaient réactiver catalytiquement des monomères mal repliés en absence d'ATP. Nos résultats suggérèrent également que la capture d'un polypeptide en cours de dépliement dans la cavité de GroEL et sous un couvercle du complexe GroES ne serait pas une étape obligatoire du mécanisme, comme il est communément accepté dans la littérature (Chapitre 4). De plus, nous avons étudié le rôle de Hsp40, une co-chaperones de Hsp70, dans l'adressage de substrats polypeptidiques mal repliés vers Hsp70. Ce travail a révélé que DnaJ pouvait différencier et lier des polypeptide mal repliés (toxiques), comme des oligomères d'a-synucléine dans la maladie de Parkinson, et clairement les différencier des monomères inoffensifs d'a-synucléine (Chapitre 5). Finalement une méta-analyse de données de microarrays de tissus végétaux et animaux traités avec différents stress chimiques et abiotiques a révélé une possible co-expression de la machinerie des chaperonnes et des régulateurs de co- chaperonne. Cette meta-analyse montre aussi clairement que le mauvais repliement des protéines dans le cytosol entraîne la synthèse de chaperonnes principalement cytosoliques alors que le mauvais repliement de protéines dans le réticulum endoplasmique (ER) entraine une réponse typique de dépliement (UPR) qui consiste principalement en la synthèse de chaperonnes localisées dans l'ER. Nous émettons l'hypothèse que les drogues qui reproduisent le mieux les stress de chaleur ou les stress UPR pourraient se montrer efficaces dans la lutte contre le mauvais repliement des protéines et le vieillissement (Chapitre 6).

The kinetic parameters and energy cost of the Hsp70 chaperone as a polypeptide unfoldase.

Hsp70-Hsp40-NEF and possibly Hsp100 are the only known molecular chaperones that can use the energy of ATP to convert stably pre-aggregated polypeptides into natively refolded proteins. However, the kinetic parameters and ATP costs have remained elusive because refolding reactions have only been successful with a molar excess of chaperones over their polypeptide substrates. Here we describe a stable, misfolded luciferase species that can be efficiently renatured by substoichiometric amounts of bacterial Hsp70-Hsp40-NEF. The reactivation rates increased with substrate concentration and followed saturation kinetics, thus allowing the determination of apparent V(max)' and K(m)' values for a chaperone-mediated renaturation reaction for the first time. Under the in vitro conditions used, one Hsp70 molecule consumed five ATPs to effectively unfold a single misfolded protein into an intermediate that, upon chaperone dissociation, spontaneously refolded to the native state, a process with an ATP cost a thousand times lower than expected for protein degradation and resynthesis.

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

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

Functionalisation of spruce O-acetyl-galactoglucomannans for barrier and composite applications

The increasing use of energy, food, and materials by the growing population in the world is leading to the situation where alternative solutions from renewable carbon resources are sought after. The growing use of plastics depends on the raw-oil production while oil refining are politically governed and required for the polymer manufacturing is not sustainable in terms of carbon footprint. The amount of packaging is also increasing. Packaging is not only utilising cardboard and paper, but also plastics. The synthetic petroleum-derived plastics and inner-coatings in food packaging can be substituted with polymeric material from the renewable resources. The trees in Finnish forests constitute a huge resource, which ought to be utilised more effectively than it is today. One underutilised component of the forests is the wood-derived hemicelluloses, although Spruce Oacetyl-galactoglucomannans (GGMs) have previously shown high potential for material applications and can be recovered in large scale. Hemicelluloses are hydrophilic in their native state, which restrains the use of them for food packaging as non-dry item. To cope with this challenge, we intended to make GGMs more hydrophobic or amphiphilic by chemical grafting and consequently with the focus of using them for barrier applications. Methods of esterification with anhydrides and cationic etherification with a trimethyl ammonium moiety were established. A method of controlled synthesis to obtain the desired properties by the means of altering temperature, reaction time, the quantity of the reagent, and even the solvent for purification of the products was developed. Numerous analytical tools, such as NMR, FTIR, SEC-MALLS/RI, MALDI-TOF-MS, RP-HPLC and polyelectrolyte titration were used to evaluate the products from different perspectives and to acquire parallel proofs of their chemical structure. Modified GGMs with different degree of substitution and the correlating level of hydrophobicity was applied as coatings on cartonboard and on nanofibrillated cellulose-GGM films to exhibit barrier functionality. The water dispersibility in processing was maintained with GGM esters with low DS. The use of chemically functionalised GGM was evaluated for the use as barriers against water, oxygen and grease for the food packaging purposes. The results show undoubtedly that GGM derivatives exhibit high potential to function as a barrier material in food packaging.

The importance of heat against antinutritional factors from Chenopodium quinoa seeds

Chenopodium quinoa seeds have high protein content. The nutritional value of quinoa is superior compared with traditional cereals. Its essential amino acid composition is considered next to the ideal, and its quality matches that of milk proteins. In this study, the seed storage proteins from Chenopodium quinoa were extracted, fractionated, partially purified, and characterized. The structural characterization was performed by Tricine-SDS-PAGE and two-dimensional electrophoresis, and it confirmed the presence of proteins of molecular weight of 30 and 7kDa, probably corresponding to lectins and trypsin inhibitors, respectively. The functional characterization of these proteins evidenced their activity as antinutritional factors due to their in vitro digestibility. Quinoa proteins have an excellent amino acid composition with many essential amino acids. In vitro digestibility evaluation indicated that heat-treated samples showed a more complete digestion than the native state samples. Quinoa seeds can be an important cereal in human diet after adequate heat treatment.