Biochemical and Biophysical Characterization of Huntingtin

Huntington’s disease (HD) is a fatal autosomal dominant neurodegenerative disease. HD has no cure, and patients pass away 10-20 years after the onset of symptoms. The causal mutation for HD is a trinucleotide repeat expansion in exon 1 of the huntingtin gene that leads to a polyglutamine (polyQ) repeat expansion in the N-terminal region of the huntingtin protein. Interestingly, there is a threshold of 37 polyQ repeats under which little or no disease exists; and above which, patients invariably show symptoms of HD. The huntingtin protein is a 350 kDa protein with unclear function. As the polyQ stretch expands, its propensity to aggregate increases with polyQ length. Models for polyQ toxicity include formation of aggregates that recruit and sequester essential cellular proteins, or altered function producing improper interactions between mutant huntingtin and other proteins. In both models, soluble expanded polyQ may be an intermediate state that can be targeted by potential therapeutics.

In the first study described herein, the conformation of soluble, expanded polyQ was determined to be linear and extended using equilibrium gel filtration and small-angle X-ray scattering. While attempts to purify and crystallize domains of the huntingtin protein were unsuccessful, the aggregation of huntingtin exon 1 was investigated using other biochemical techniques including dynamic light scattering, turbidity analysis, Congo red staining, and thioflavin T fluorescence. Chapter 4 describes crystallization experiments sent to the International Space Station and determination of the X-ray crystal structure of the anti-polyQ Fab MW1. In the final study, multimeric fibronectin type III (FN3) domain proteins were engineered to bind with high avidity to expanded polyQ tracts in mutant huntingtin exon 1. Surface plasmon resonance was used to observe binding of monomeric and multimeric FN3 proteins with huntingtin.

Mutações no gene JARID1C e rearranjos subteloméricos como causas de deficiência intelectual familiar de etiologia idiopática

A Deficiência Intelectual (DI) é uma condição complexa, que acomete 2-3% da população mundial, constituindo um importante problema de saúde pública. No entanto, uma parcela significativa dos casos de DI permanece sem um diagnóstico definitivo, o que demonstra que muitos fatores etiológicos associados a esta condição ainda precisam ser elucidados. Há um consenso de que o número de homens com DI supera em 30% o número de mulheres, um achado atribuído à presença de mutações em genes localizados no cromossomo X. Dentre os genes presentes neste cromossomo que são expressos no cérebro, o Jumonji AT-rich interactive domain 1C (JARID1C) foi identificado como um potencial candidato a estar relacionado à DI ligada ao X (DILX). O gene JARID1C codifica uma desmetilase da lisina 4 da histona H3 (H3K4), imprescindível para a regulação epigenética. Tão importante quanto o estudo do gene JARID1C em pacientes com DI é a busca por variações no número de cópias gênicas (VNCs) em regiões cromossômicas subteloméricas. Genes relacionados ao desenvolvimento cerebral são enriquecidos em VNCs e as regiões subteloméricas são mais susceptíveis à formação destes rearranjos. Diante do exposto, neste estudo, investigamos mutações no gene JARID1C (exons 3, 4, 5, 8, 10, 14 e 23) em 148 homens portadores de DI pertencentes a famílias com padrão de segregação sugestivo de DILX. Paralelamente, analisamos VNCs subteloméricas em 174 homens com DI familiar de etiologia idiopática, independente do padrão de segregação. Para todos os indivíduos selecionados, amostras de DNA genômico foram extraídas a partir de sangue periférico e alterações genéticas frequentemente relacionadas à DI foram previamente excluídas (expansões trinucleotídicas nos loci FRAXA e FRAXE e mutações nos genes MECP2 e ARX). A análise do gene JARID1C foi realizada pela técnica de PCR, seguida da análise dos produtos amplificados por sequenciamento. Foram identificadas quatro variantes silenciosas (c.564G>A, c.633G>C, c.1884G>A, c.1902C>A). Através da análise in silico de sequências exônicas acentuadoras de splicing (ESEs) localizadas nas posições das variantes encontradas, foi possível classificar a variante c.1884G>A como neutra e as três variantes restantes como possíveis criadoras de ESEs. Já para a investigação das VNCs subteloméricas, foi utilizada a metodologia de Multiplex Ligation-dependent Probe Amplification (MLPA), capaz de identificar microdeleções e microduplicações nas 46 regiões subteloméricas. Para este fim, inicialmente, os indivíduos foram investigados pelo kit de MLPA P036, enquanto que para aqueles que exibiram alterações também foi utilizado o kit P070. A validação das VNCs encontradas foi realizada por PCR quantitativo em Tempo Real. A análise por MLPA revelou um indivíduo apresentando duas deleções (9p e 13q), um indivíduo apresentando duas amplificações (1p e 2p), dois indivíduos apresentando uma deleção e uma amplificação (18p e 18q; 4p e 8p), quatro indivíduos portadores de uma deleção cada (10p, 20p, 3q e 22q) e dois indivíduos com uma amplificação cada (7q e 20p). Algumas das alterações subteloméricas encontradas (2,87%) representam VNCs de relevância clínica para o estudo da DI, reforçando a importância do rastreamento de rotina de VNCs subteloméricas na DI familiar. Consideramos que a elucidação de novos genes ou mecanismos moleculares diretamente relacionados à DI é um caminho promissor e urgente para o estabelecimento de novas estratégias terapêuticas possíveis.

Análise clínica e molecular em indivíduos com deficiência mental idiopática no Maranhão: diagnóstico diferencial da síndrome do X frágil

O retardo mental (RM) representa um problema de saúde pública mundial ainda negligenciado no Brasil e, em especial nas regiões mais pobres como o Nordeste. A síndrome do X frágil (SXF) é uma das formas mais estudadas de RM hereditário em seres humanos. Esta doença monogênica, de herança ligada ao X dominante, é decorrente de uma mutação no exon 1 do gene FMR1, localizado na região Xq27.3. A mutação no FMR1 se caracteriza pelo aumento de repetições de trinucleotídios CGG em tandem na região 5 UTR desse gene, sendo a expansão dessas trincas o principal evento mutacional responsável pela SXF. De maneira geral, os fenótipos cognitivos de indivíduos do sexo masculino com a síndrome incluem deficiência intelectual de moderada à grave. No presente trabalho, realizamos um estudo transversal da SXF em indivíduos portadores de retardo mental de causa desconhecida, engajados em Programas de Educação Especial e em instituições psiquiátricas de São Luís-MA, rastreando amplificações de sequências trinucleotídicas no gene FMR1. A amostra foi composta por 238 indivíduos do sexo masculino, não aparentados, na faixa etária de 4 a 60 anos (média = 21 9 anos). O DNA dos participantes foi obtido a partir de 5 mL de sangue coletados em tubos com anti-coagulante EDTA e a análise molecular da região gênica de interesse foi realizada através da reação em cadeia da polimerase, utilizando-se três primers. Dentre os indivíduos triados quanto à presença de mutações no gene FMR1, apenas um apresentou um resultado inconclusivo e 2 (0,84%) foram positivos para a SXF, sendo que um deles (3503) apresentou mais de 200 repetições CGG no locus FRAXA e o outro indivíduo (3660) apresentou uma deleção de ~197 pb envolvendo parte das repetições CGG e uma região proximal às repetições CGG. Ambos possuíam história familiar de RM ligado ao X. No indivíduo 3503 observamos as seguintes características clínicas: temperamento dócil, orelhas grandes, mandíbula proeminente e flacidez ligamentar. O indivíduo 3660 apresentava hiperatividade, contato pobre com os olhos, orelhas grandes, mandíbula proeminente, pectus excavatum, macroorquidismo e pouca comunicação. O esclarecimento sobre a doença oferecido às famílias de ambos contribuiu sobremaneira para o entendimento da condição, do prognóstico e dos riscos de recorrência. A prevalência da SXF em nossa amostra, 0,84%, embora relativamente baixa, encontra-se na faixa de incidência de casos diagnosticados em outras populações que, em sua maioria, relatam incidências variando de 0 a 3%. Em parte, atribuímos o percentual encontrado aos critérios de inclusão utilizados em nosso estudo. Concluímos que o protocolo de triagem molecular utilizado em nosso estudo se mostrou eficiente e adequado para a realidade do Maranhão, podendo constituir uma ferramenta auxiliar a ser aplicada na avaliação de rotina dos portadores de RM, com grandes benefícios para o Estado.

Muscle wasting in myotonic dystrophies: a model of premature aging

Myotonic dystrophy type 1 (DM1 or Steinert's disease) and type 2 (DM2) are multisystem disorders of genetic origin. Progressive muscular weakness, atrophy and myotonia are the most prominent neuromuscular features of these diseases, while other clinical manifestations such as cardiomyopathy, insulin resistance and cataracts are also common. From a clinical perspective, most DM symptoms are interpreted as a result of an accelerated aging (cataracts, muscular weakness and atrophy, cognitive decline, metabolic dysfunction, etc.), including an increased risk of developing tumors. From this point of view, DM1 could be described as a progeroid syndrome since a notable age dependent dysfunction of all systems occurs. The underlying molecular disorder in DM1 consists of the existence of a pathological (CTG) triplet expansion in the 3' untranslated region (UTR) of the Dystrophia ll/Iyotonica Protein Kinase (DMPK) gene, whereas (CCTG)n repeats in the first intron of the Cellular Nucleic acid Binding Protein/Zinc Finger Protein 9 (CNBP/ZNF9) gene cause DM2. The expansions are transcribed into (CUG)n and (CCUG)n-containing RNA, respectively, which form secondary structures and sequester RNA binding proteins, such as the splicing factor muscleblind-like protein (MBNL), forming nuclear aggregates known as foci. Other splicing factors, such as CUGBP, are also disrupted, leading to a spliceopathy of a large number of downstream genes linked to the clinical features of these diseases. Skeletal muscle regeneration relies on muscle progenitor cells, known as satellite cells, which are activated after muscle damage, and which proliferate and differentiate to muscle cells, thus regenerating the damaged tissue. Satellite cell dysfunction seems to be a common feature of both age-dependent muscle degeneration (sarcopenia) and muscle wasting in DM and other muscle degenerative diseases. This review aims to describe the cellular, molecular and macrostructural processes involved in the muscular degeneration seen in DM patients, highlighting the similarities found with muscle aging.

Isolation and characterization of microsatellites in yellow perch (Perca flavescens)

A total of 45 microsatellite loci from yellow perch, Perca flavescens, were isolated and characterized. Among the 45 microsatellite loci, 32 had more than two alleles. A wild population of P. flavescens (n = 48) was used to examine the allele range of the microsatellite loci. Mendelian inheritance of alleles was confirmed by examining the amplified products in pair-mated families. The number of alleles for the 32 polymorphic loci varied from two to 16, and observed heterozygosity ranged between 0.024 (YP79) and 0.979 (YP60). Cross-species polymorphic amplification in four other Percidae species was successful for 22 loci.

Measles virus minigenomes encoding two autofluorescent proteins reveal cell-to-cell variation in reporter expression dependent on viral sequences between the transcription units.

Transcription from morbillivirus genomes commences at a single promoter in the 3' non-coding terminus, with the six genes being transcribed sequentially. The 3' and 5' untranslated regions (UTRs) of the genes (mRNA sense), together with the intergenic trinucleotide spacer, comprise the non-coding sequences (NCS) of the virus and contain the conserved gene end and gene start signals, respectively. Bicistronic minigenomes containing transcription units (TUs) encoding autofluorescent reporter proteins separated by measles virus (MV) NCS were used to give a direct estimation of gene expression in single, living cells by assessing the relative amounts of each fluorescent protein in each cell. Initially, five minigenomes containing each of the MV NCS were generated. Assays were developed to determine the amount of each fluorescent protein in cells at both cell population and single-cell levels. This revealed significant variations in gene expression between cells expressing the same NCS-containing minigenome. The minigenome containing the M/F NCS produced significantly lower amounts of fluorescent protein from the second TU (TU2), compared with the other minigenomes. A minigenome with a truncated F 5' UTR had increased expression from TU2. This UTR is 524 nt longer than the other MV 5' UTRs. Insertions into the 5' UTR of the enhanced green fluorescent protein gene in the minigenome containing the N/P NCS showed that specific sequences, rather than just the additional length of F 5' UTR, govern this decreased expression from TU2.

Microsatellite loci for the eusocial Lasioglossum malachurum and other sweat bees (Hymenoptera, Halictidae)

Sweat bees (family Halictidae) comprise a numerous and diverse group that are arguably among the most socially labile of all insect taxa. Given the lack of highly variable markers for eusocial species of the family, we developed a suite of dinucleotide and trinucleotide markers for one of its members, the Eurasian Lasioglossum malachurum, and used them to amplify DNA from other halictids. Loci were highly variable in L. malachurum and amplified DNA from many other halictids.

Sistema computacional para o estudo da estrutura primária e redesenho de genes

Um dos maiores avanços científicos do século XX foi o desenvolvimento de tecnologia que permite a sequenciação de genomas em larga escala. Contudo, a informação produzida pela sequenciação não explica por si só a sua estrutura primária, evolução e seu funcionamento. Para esse fim novas áreas como a biologia molecular, a genética e a bioinformática são usadas para estudar as diversas propriedades e funcionamento dos genomas. Com este trabalho estamos particularmente interessados em perceber detalhadamente a descodificação do genoma efectuada no ribossoma e extrair as regras gerais através da análise da estrutura primária do genoma, nomeadamente o contexto de codões e a distribuição dos codões. Estas regras estão pouco estudadas e entendidas, não se sabendo se poderão ser obtidas através de estatística e ferramentas bioinfomáticas. Os métodos tradicionais para estudar a distribuição dos codões no genoma e seu contexto não providenciam as ferramentas necessárias para estudar estas propriedades à escala genómica. As tabelas de contagens com as distribuições de codões, assim como métricas absolutas, estão actualmente disponíveis em bases de dados. Diversas aplicações para caracterizar as sequências genéticas estão também disponíveis. No entanto, outros tipos de abordagens a nível estatístico e outros métodos de visualização de informação estavam claramente em falta. No presente trabalho foram desenvolvidos métodos matemáticos e computacionais para a análise do contexto de codões e também para identificar zonas onde as repetições de codões ocorrem. Novas formas de visualização de informação foram também desenvolvidas para permitir a interpretação da informação obtida. As ferramentas estatísticas inseridas no modelo, como o clustering, análise residual, índices de adaptação dos codões revelaram-se importantes para caracterizar as sequências codificantes de alguns genomas. O objectivo final é que a informação obtida permita identificar as regras gerais que governam o contexto de codões em qualquer genoma.

Skin fibroblast model to study an impaired glutathione synthesis: consequences of a genetic polymorphism on the proteome.

An impaired glutathione (GSH) synthesis was observed in several multifactorial diseases, including schizophrenia and myocardial infarction. Genetic studies revealed an association between schizophrenia and a GAG trinucleotide repeat (TNR) polymorphism in the catalytic subunit (GCLC) of the glutamate cysteine ligase (GCL). Disease-associated genotypes of this polymorphism correlated with a decrease in GCLC protein expression, GCL activity and GSH content. To clarify consequences of a decreased GCL activity at the proteome level, three schizophrenia patients and three controls have been selected based on the GCLC GAG TNR polymorphism. Fibroblast cultures were obtained by skin biopsy and were challenged with tert-butylhydroquinone (t-BHQ), a substance known to induce oxidative stress. Proteome changes were analyzed by two dimensional gel electrophoresis (2-DE) and results revealed 10 spots that were upregulated in patients following t-BHQ treatment, but not in controls. Nine corresponding proteins could be identified by MALDI mass spectrometry and these proteins are involved in various cellular functions, including energy metabolism, oxidative stress response, and cytoskeletal reorganization. In conclusion, skin fibroblasts of subjects with an impaired GSH synthesis showed an altered proteome reaction in response to oxidative stress. Furthermore, the study corroborates the use of fibroblasts as an additional mean to study vulnerability factors of psychiatric diseases.

Auditory and visual event-related potential alterations in fragile X syndrome

Le syndrome du X fragile (SXF) est la première cause héréditaire de déficience intellectuelle et également la première cause monogénique d’autisme. Le SXF est causé par l'expansion de la répétition du nucléotide CGG sur le gène FMR1, ce qui empêche l’expression de la protéine FMRP. L’absence du FMRP mène à une altération du développement structurel et fonctionnel de la synapse, ce qui empêche la maturation des synapses induite par l’activité et l’élagage synaptique, qui sont essentiels pour le développement cérébral et cognitif. Nous avons investigué les potentiels reliés aux événements (PRE) évoqués par des stimulations fondamentales auditives et visuelles dans douze adolescents et jeunes adultes (10-22) atteints du SXF, ainsi que des participants contrôles appariés en âge chronologique et développemental. Les résultats indiquent un profil des PRE altéré, notamment l’augmentation de l’amplitude de N1 auditive, par rapport aux deux groupes contrôle, ainsi que l’augmentation des amplitudes de P2 et N2 auditifs et de la latence de N2 auditif. Chez les patients SXF, le traitement sensoriel semble être davantage perturbé qu’immature. En outre, la modalité auditive semble être plus perturbée que la modalité visuelle. En combinaison avec des résultats anatomique du cerveau, des mécanismes biochimiques et du comportement, nos résultats suggèrent une hyperexcitabilité du système nerveux dans le SXF.

Biology and characterisation of polyalanine as an emerging pathological marker

Dix-huit maladies humaines graves ont jusqu'ici été associées avec des expansions de trinucléotides répétés (TNR) codant soit pour des polyalanines (codées par des codons GCN répétés) soit pour des polyglutamines (codées par des codons CAG répétés) dans des protéines spécifiques. Parmi eux, la dystrophie musculaire oculopharyngée (DMOP), l’Ataxie spinocérébelleuse de type 3 (SCA3) et la maladie de Huntington (MH) sont des troubles à transmission autosomale dominante et à apparition tardive, caractérisés par la présence d'inclusions intranucléaires (IIN). Nous avons déjà identifié la mutation responsable de la DMOP comme étant une petite expansion (2 à 7 répétitions supplémentaires) du codon GCG répété du gène PABPN1. En outre, nous-mêmes ainsi que d’autres chercheurs avons identifié la présence d’événements de décalage du cadre de lecture ribosomique de -1 au niveau des codons répétés CAG des gènes ATXN3 (SCA3) et HTT (MH), entraînant ainsi la traduction de codons répétés hybrides CAG/GCA et la production d'un peptide contenant des polyalanines. Or, les données observées dans la DMOP suggèrent que la toxicité induite par les polyalanines est très sensible à leur quantité et leur longueur. Pour valider notre hypothèse de décalage du cadre de lecture dans le gène ATXN3 dans des modèles animaux, nous avons essayé de reproduire nos constatations chez la drosophile et dans des neurones de mammifères. Nos résultats montrent que l'expression transgénique de codons répétés CAG élargis dans l’ADNc de ATXN3 conduit aux événements de décalage du cadre de lecture -1, et que ces événements sont néfastes. À l'inverse, l'expression transgénique de codons répétés CAA (codant pour les polyglutamines) élargis dans l’ADNc de ATXN3 ne conduit pas aux événements de décalage du cadre de lecture -1, et n’est pas toxique. Par ailleurs, l’ARNm des codons répétés CAG élargis dans ATXN3 ne contribue pas à la toxicité observée dans nos modèles. Ces observations indiquent que l’expansion de polyglutamines dans nos modèles drosophile et de neurones de mammifères pour SCA3 ne suffit pas au développement d'un phénotype. Par conséquent, nous proposons que le décalage du cadre de lecture ribosomique -1 contribue à la toxicité associée aux répétitions CAG dans le gène ATXN3. Pour étudier le décalage du cadre de lecture -1 dans les maladies à expansion de trinucléotides CAG en général, nous avons voulu créer un anticorps capable de détecter le produit présentant ce décalage. Nous rapportons ici la caractérisation d’un anticorps polyclonal qui reconnaît sélectivement les expansions pathologiques de polyalanines dans la protéine PABPN1 impliquée dans la DMOP. En outre, notre anticorps détecte également la présence de protéines contenant des alanines dans les inclusions intranucléaires (IIN) des échantillons de patients SCA3 et MD.

Pseudo-neglect in Huntington's disease correlates with decreased angular gyrus density

Visuospatial attentional bias was examined in Huntington's disease (HID) patients with mild disease, asymptomatic gene-positive patients and controls. No group differences were found on the grey scales task (which is a non-motor task of visuospatial attentional bias), although patients' trinucleotide (CAG) repeat length correlated with increasing leftward bias. On the line bisection task, symptomatic patients made significantly larger leftward bisection errors relative to controls, who showed the normal slight degree of leftward error (pseudo-neglect). The asymptomatic group showed a trend for greater leftward error than controls. A subset of participants went on to have structural MRI, which showed a correlation between increased leftward error on the line bisection task and reduced density in the angular gyrus area (BA39) bilaterally. This finding is consistent with recent literature suggesting a critical role for the angular gyrus in the lateralization of visuospatial attention.

NMR studies of the conformational effect of single and double 3'-S-phosphorothiolate substitutions within deoxythymidine trinucleotides

NMR spectroscopy has been used to investigate the conformational effects of single and two consecutive 3′-S-phosphorothiolate modifications within a deoxythymidine trinucleotide. The presence of a single 3′-phosphorothioate modification shifts the conformation of the sugar ring it is attached to, from a mainly south to north pucker; this effect is also transmitted to the 3′-neighbour deoxyribose. This transmission is thought to be caused by favourable stacking of the heterocyclic bases. Similar observations have been made previously by this group. When two adjacent modifications are present, the conformations of the attached deoxyribose rings are again shifted almost completely to the north, however, there is no transmission to the 3′ deoxyribose ring. Base proton chemical shift analysis and molecular modelling have been used to aid elucidation of the origin of this feature. The observation for the dimodified sequence is consistent with our previously reported results for a related system in which spaced modifications are more thermodynamically stable than consecutive ones.

Geographic Structure of Plasmodium vivax: Microsatellite Analysis of Parasite Populations from Sri Lanka, Myanmar, and Ethiopia

Genetic diversity and population structure of Plasmodium viva-V parasites call predict the origin and Spread of novel Variants Within a population enabling Population specific malaria control measures. We analyzed the genetic diversity and population Structure of 425 P. vivax isolates from Sri Lanka, Myanmar, and Ethiopia using 12 trinucleotide and tetranucleotide microsatellite markers. All three parasite populations were highly polymorphic with 3-44 alleles per locus. Approximately 65% were multiple-clone infections. Mean genetic diversity (H(E)) was 0.7517 in Ethiopia, 0.8450 in Myanmar, and 0.8610 in Sri Lanka. Significant linkage disequilibrium Was maintained. Population structure showed two clusters (Asian and African) according to geography and ancestry Strong clustering of outbreak isolates from Sri Lanka and Ethiopia was observed. Predictive power of ancestry using two-thirds of the isolates as a model identified 78.2% of isolates accurately as being African or Asian. Microsatellite analysis is a useful tool for mapping short-term outbreaks of malaria and for predicting ancestry.