Aptamers binding to Bradykinin

Bradykinin is a peptide of the kinin group, involved in a number of receptor-mediated physiological actions, including inflammation and vasodilation, as well as neuromodulation, neuroprotection and promotion of neurogenesis. Bradykinin is the main ligand of the B2 receptor- the main kinin receptor- which is involved in the cardiac and renal protective effects of kinins in diseases. Antibodies have been considered for a long time as promising therapeutic agents in various fields, especially cancer-related ones. Aptamers, on the other hand, have proven to be an excellent alterative, since they have similar properties to those of monoclonal antibodies, such a high-specificity of recognition and high-affinity binding. Plus, they are developed using in vitro selection procedures and can be reproduced by enzymatic reactions. SELEX is a powerful tool for the development of both DNA and RNA aptamers. The main goal of this project was to design a method to select aptamers against bradykinin using capillary electrophoresis alongside the SELEX technique. The selection was done by comparing the aptamers’ (ssDNA-target complex) electrophoretic mobility with that of the ssDNA and the target, which allowed us to define an appropriate collection window that took into consideration the analytes’ detection time, thus enabling the collection of the desired oligonucleotides. After two selection rounds, the collected pool was sequenced, the affinity was measured and the aptamers’ secondary structure was predicted. We concluded that with only two selection cycles, the original DNA library’s bulk affinity grew around 0.4%. The structural characterization of the aptamers, performed with the aid of the Mfold software, revealed that there are many repetitive motifs amongst them, indicating that the selection process was successful. We have obtained 16 sequences of candidate aptamers as bradykinin ligands of similar sequences and secondary structures whose biological activity should be analyzed after synthesis; mainly in regard to their role as bradykinin inhibitors.

Design of bio-based supramolecular structures through self-assembly of α-lactalbumin and lysozyme

Bovine α-lactalbumin (α-La) and lysozyme (Lys), two globular proteins with highly homologous tertiary structures and opposite isoelectric points, were used to produce bio-based supramolecular structures under various pH values (3, 7 and 11), temperatures (25, 50 and 75 °C) and times (15, 25 and 35 min) of heating. Isothermal titration calorimetry experiments showed protein interactions and demonstrated that structures were obtained from the mixture of α-La/Lys in molar ratio of 0.546. Structures were characterized in terms of morphology by transmission electron microscopy (TEM) and dynamic light scattering (DLS), conformational structure by circular dichroism and intrinsic fluorescence spectroscopy and stability by DLS. Results have shown that protein conformational structure and intermolecular interactions are controlled by the physicochemical conditions applied. The increase of heating temperature led to a significant decrease in size and polydispersity (PDI) of α-La–Lys supramolecular structures, while the increase of heating time, particularly at temperatures above 50 °C, promoted a significant increase in size and PDI. At pH 7 supramolecular structures were obtained at microscale – confirmed by optical microscopy – displaying also a high PDI (i.e. > 0.4). The minimum size and PDI (61 ± 2.3 nm and 0.14 ± 0.03, respectively) were produced at pH 11 for a heating treatment of 75 °C for 15 min, thus suggesting that these conditions could be considered as critical for supramolecular structure formation. Its size and morphology were confirmed by TEM showing a well-defined spherical form. Structures at these conditions showed to be stable at least for 30 or 90 days, when stored at 25 or 4 °C, respectively. Hence, α-La–Lys supramolecular structures showed properties that indicate that they are a promising delivery system for food and pharmaceutical applications.

X-ray structures of Sap1 and Sap5: structural comparison of the secreted aspartic proteinases from Candida albicans.

Proteolytic activity is an important virulence factor for Candida albicans (C. albicans). It is attributed to the family of the secreted aspartic proteinases (Saps) from C. albicans with a minimum of 10 members. Saps show controlled expression and regulation for the individual stages of the infection process. Distinct isoenzymes can be responsible for adherence and tissue damage of local infections, while others cause systemic diseases. Earlier, only the structures of Sap2 and Sap3 were known. In our research, we have now succeeded in solving the X-ray crystal structures of the apoenzyme of Sap1 and Sap5 in complex with pepstatin A at 2.05 and 2.5 A resolution, respectively. With the structure of Sap1, we have completed the set of structures of isoenzyme subgroup Sap1-3. Of subgroup Sap4-6, the structure of the enzyme Sap5 is the first structure that has been described up to now. This facilitates comparison of structural details as well as inhibitor binding modes among the different subgroup members. Structural analysis reveals a highly conserved overall secondary structure of Sap1-3 and Sap5. However, Sap5 clearly differs from Sap1-3 by its electrostatic overall charge as well as through structural conformation of its entrance to the active site cleft. Design of inhibitors specific for Sap5 should concentrate on the S4 and S3 pockets, which significantly differ from Sap1-3 in size and electrostatic charge. Both Sap1 and Sap5 seem to play a major part in superficial Candida infections. Determination of the isoenzymes' structures can contribute to the development of new Sap-specific inhibitors for the treatment of superficial infections with a structure-based drug design program.

Targeting of DNA polymerase to the adenovirus origin of DNA replication by interaction with nuclear factor I.

Efficient initiation by the DNA polymerase of adenovirus type 2 requires nuclear factor I (NFI), a cellular sequence-specific transcription factor. Three functions of NFI--dimerization, DNA binding, and activation of DNA replication--are colocalized within the N-terminal portion of the protein. To define more precisely the role of NFI in viral DNA replication, a series of site-directed mutations within the N-terminal domain have been generated, thus allowing the separation of all three functions contained within this region. Impairment of the dimerization function prevents sequence-specific DNA binding and in turn abolishes the NFI-mediated activation of DNA replication. NFI DNA-binding activity, although necessary, is not sufficient to activate the initiation of adenovirus replication. A distinct class of NFI mutations that abolish the recruitment of the viral DNA polymerase to the origin also prevent the activation of replication. Thus, a direct interaction of NFI with the viral DNA polymerase complex is required to form a stable and active preinitiation complex on the origin and is responsible for the activation of replication by NFI.

Identification of Ligands for the Tau Exon 10 Splicing Regulatory Element RNA Using Dynamic Combinatorial Chemistry

We describe the use of dynamic combinatorial chemistry (DCC) to identify ligands for the stem-loop structure located at the exon 10-5'-intron junction of Tau pre-mRNA, which is involved in the onset of several tauopathies including frontotemporal dementia with Parkinsonism linked to chromosome 17 (FTDP-17). A series of ligands that combine the small aminoglycoside neamine and heteroaromatic moieties (azaquinolone and two acridines) have been identified by using DCC. These compounds effectively bind the stem-loop RNA target (the concentration required for 50% RNA response (EC(50)): 2-58 μM), as determined by fluorescence titration experiments. Importantly, most of them are able to stabilize both the wild-type and the +3 and +14 mutated sequences associated with the development of FTDP-17 without producing a significant change in the overall structure of the RNA (as analyzed by circular dichroism (CD) spectroscopy), which is a key factor for recognition by the splicing regulatory machinery. A good correlation has been found between the affinity of the ligands for the target and their ability to stabilize the RNA secondary structure.

Synthesis of Janus compounds for the recognition of G-U mismatched nucleobase pairs

The design and synthesis of two Janus-type heterocycles with the capacity to simultaneously recognize guanine and uracyl in G-U mismatched pairs through complementary hydrogen bond pairing is described. Both compounds were conveniently functionalized with a carboxylic function and efficiently attached to a tripeptide sequence by using solid-phase methodologies. Ligands based on the derivatization of such Janus compounds with a small aminoglycoside, neamine, and its guanidinylated analogue have been synthesized, and their interaction with Tau RNA has been investigated by using several biophysical techniques, including UV-monitored melting curves, fluorescence titration experiments, and 1H NMR. The overall results indicated that Janus-neamine/guanidinoneamine showed some preference for the +3 mutated RNA sequence associated with the development of some tauopathies, although preliminary NMR studies have not confirmed binding to G-U pairs. Moreover, a good correlation has been found between the RNA binding affinity of such Janus-containing ligands and their ability to stabilize this secondary structure upon complexation.

Hidrólise seletiva de carboxiamidas de resíduos de asparagina e glutamina em colágeno: preparação e caracterização de matrizes aniônicas para uso como biomateriais

This work describes the selective hydrolysis of carboxyamide groups of asparagine and glutamine of collagen matrices for the preparation of negatively charged collagen biomaterials. The reaction was performed in the presence of chloride and sulfate salts of alkaline and alkaline earth metals in aqueous dimethylsulfoxide solution and, selectively hydrolysis of carboxyamide groups of collagen matrices was promoted without cleavage of the peptide bond. The result is a new collagen material with controlled increase in negative charge content. Although triple helix secondary structure of tropocollagen was preserved, significative changes in thermal stabilities were observed in association with a new pattern of tropocollagen macromolecular association, particularly in respect microfibril assembly, thus providing at physiological pH a new type of collagen structure for biomaterial preparation, characterized by different charge and structural contents .

Análise conformacional por cálculos teóricos da distinctina, peptídeo antimicrobiano isolado de anuros da espécie Phyllomedusa distincta

Various studies demonstrate that different frog species produce distinct classes of biologically active peptides. These peptides can act as alternative agents against pathogenic bacteria and fungi by membrane permeability. Although studies have recently demonstrated that this process is utterly related to the secondary structure adopted by the peptide (in this case, the a-helical structure) when in contact with the bacterial membrane, the detailed mechanism is still unknown. In this work we describe a conformational analysis of distinctin, a heterodimeric peptide isolated from the skin of Phyllomedusa distincta, an anuran found in the Brazilian Atlantic Forest. The study yielded a stable geometry with a high content of the a-helical structure both in chains 1 and 2 of distinctin, showing strong interaction between them.

Prediction of exposed domains of envelope glycoprotein in Indian HIV-1 isolates and experimental confirmation of their immunogenicity in humans

We describe the impact of subtype differences on the seroreactivity of linear antigenic epitopes in envelope glycoprotein of HIV-1 isolates from different geographical locations. By computer analysis, we predicted potential antigenic sites of envelope glycoprotein (gp120 and gp4l) of this virus. For this purpose, after fetching sequences of proteins of interest from data banks, values of hydrophilicity, flexibility, accessibility, inverted hydrophobicity, and secondary structure were considered. We identified several potential antigenic epitopes in a B subtype strain of envelope glycoprotein of HIV-1 (IIIB). Solid- phase peptide synthesis methods of Merrifield and Fmoc chemistry were used for synthesizing peptides. These synthetic peptides corresponded mainly to the C2, V3 and CD4 binding sites of gp120 and some parts of the ectodomain of gp41. The reactivity of these peptides was tested by ELISA against different HIV-1-positive sera from different locations in India. For two of these predicted epitopes, the corresponding Indian consensus sequences (LAIERYLKQQLLGWG and DIIGDIRQAHCNISEDKWNET) (subtype C) were also synthesized and their reactivity was tested by ELISA. These peptides also distinguished HIV-1-positive sera of Indians with C subtype infections from sera from HIV-negative subjects.

The Role of Membrane Lipid Composition on Sarco(endo)plasmic Reticulum Calcium ATPase Function in Rat Soleus Muscle

Sarco(endo)plasmic reticulum calcium ATPase (SERCA) is a transmembrane protein whose function is regulated by its immediate lipid environment (annulus). The composition of the annulus is currently unknown or it’s susceptibility to a high saturated fat diet (HSFD). Furthermore it is uncertain if HSFD can protect SERCA from thermal stress. The purpose of the study was to determine SERCA annular lipid composition, resulting impact of a HSFD, and in turn, influence on SERCA activity with and without thermal stress. The major findings were annular lipids were shorter and more saturated compared to whole homogenate and HSFD had no effect on annular lipid composition or SERCA activity with and without thermal stress. Both average chain length and unsaturation index were positively correlated with SERCA activity with and without thermal stress. These findings suggest that annular lipid composition is different than whole homogenate and its composition appears to be related to SERCA function.

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

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

Synthèse et caractérisation physicochimique de peptides de polyglutamines

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

Riboswitches : le cas des atténuateurs de la transcription du type terminateur/antiterminateur chez les bactéries

Il est essentiel pour chaque organisme d’avoir la possibilité de réguler ses fonctions afin de permettre sa survie et d’améliorer sa capacité de se reproduire en divers habitats. Avec l’information disponible, il semble que les organismes consacrent une partie assez importante de leur matériel génétique à des fonctions de régulation. On peut envisager que certains mécanismes de régulation ont persisté dans le temps parce qu’ils remplissent bien leurs rôles. Les premières études sur les procaryotes ont indiqué qu’il y avait peu de mécanismes de régulation exerçant le contrôle des gènes, mais il a été démontré par la suite qu’une variété de ces mécanismes est utilisée pour la régulation de gènes et d’opérons. En particulier, les opérons bactériens impliqués dans la biosynthèse des acides aminés, l’ARNt synthétase, la dégradation des acides aminés, les protéines ribosomales et l’ARN ribosomal font l’objet d’un contrôle par l’atténuation de la transcription. Ce mécanisme d’atténuation de la transcription diffère d’autres mécanismes pour la génération de deux structures différentes de l’ARNm, où l’une de ces structures réprime le gène en aval, et l’autre permet de continuer la transcription/traduction. Dans le cadre de cette recherche, nous nous sommes intéressé au mécanisme d’atténuation de la transcription chez les procaryotes où aucune molécule ne semble intervenir comme facteur de régulation, en me concentrant sur la régulation des opérons bactériens. Le but principal de ce travail est de présenter une nouvelle méthode de recherche des riborégulateurs qui combine la recherche traditionnelle des riborégulateurs avec la recherche structurale. En incorporant l’étude du repliement de l’ARNm, nous pouvons mieux identifier les atténuateurs répondant à ce type de mécanisme d’atténuation. Ce mémoire est divisé en quatre chapitres. Le premier chapitre présente une revue de la littérature sur l’ARN et un survol sur les mécanismes de régulation de l’expression génétique chez les procaryotes. Les chapitres 2 et 3 sont consacrés à la méthodologie utilisée dans cette recherche et à l’implémentation du logiciel TA-Search. Enfin, le chapitre 4 expose les conclusions et les applications potentielles de la méthode.

Une signature du polymorphisme structural d’acides ribonucléiques non-codants permettant de comparer leurs niveaux d’activités biochimiques

Des évidences expérimentales récentes indiquent que les ARN changent de structures au fil du temps, parfois très rapidement, et que ces changements sont nécessaires à leurs activités biochimiques. La structure de ces ARN est donc dynamique. Ces mêmes évidences notent également que les structures clés impliquées sont prédites par le logiciel de prédiction de structure secondaire MC-Fold. En comparant les prédictions de structures du logiciel MC-Fold, nous avons constaté un lien clair entre les structures presque optimales (en termes de stabilité prédites par ce logiciel) et les variations d’activités biochimiques conséquentes à des changements ponctuels dans la séquence. Nous avons comparé les séquences d’ARN du point de vue de leurs structures dynamiques afin d’investiguer la similarité de leurs fonctions biologiques. Ceci a nécessité une accélération notable du logiciel MC-Fold. L’approche algorithmique est décrite au chapitre 1. Au chapitre 2 nous classons les impacts de légères variations de séquences des microARN sur la fonction naturelle de ceux-ci. Au chapitre 3 nous identifions des fenêtres dans de longs ARN dont les structures dynamiques occupent possiblement des rôles dans les désordres du spectre autistique et dans la polarisation des œufs de certains batraciens (Xenopus spp.).

Identification de caractéristiques communes et rares dans les ARN structurés dans la base de données Rfam

Les ARN non codants (ARNnc) sont des transcrits d'ARN qui ne sont pas traduits en protéines et qui pourtant ont des fonctions clés et variées dans la cellule telles que la régulation des gènes, la transcription et la traduction. Parmi les nombreuses catégories d'ARNnc qui ont été découvertes, on trouve des ARN bien connus tels que les ARN ribosomiques (ARNr), les ARN de transfert (ARNt), les snoARN et les microARN (miARN). Les fonctions des ARNnc sont étroitement liées à leurs structures d’où l’importance de développer des outils de prédiction de structure et des méthodes de recherche de nouveaux ARNnc. Les progrès technologiques ont mis à la disposition des chercheurs des informations abondantes sur les séquences d'ARN. Ces informations sont accessibles dans des bases de données telles que Rfam, qui fournit des alignements et des informations structurelles sur de nombreuses familles d'ARNnc. Dans ce travail, nous avons récupéré toutes les séquences des structures secondaires annotées dans Rfam, telles que les boucles en épingle à cheveux, les boucles internes, les renflements « bulge », etc. dans toutes les familles d'ARNnc. Une base de données locale, RNAstem, a été créée pour faciliter la manipulation et la compilation des données sur les motifs de structure secondaire. Nous avons analysé toutes les boucles terminales et internes ainsi que les « bulges » et nous avons calculé un score d’abondance qui nous a permis d’étudier la fréquence de ces motifs. Tout en minimisant le biais de la surreprésentation de certaines classes d’ARN telles que l’ARN ribosomal, l’analyse des scores a permis de caractériser les motifs rares pour chacune des catégories d’ARN en plus de confirmer des motifs communs comme les boucles de type GNRA ou UNCG. Nous avons identifié des motifs abondants qui n’ont pas été étudiés auparavant tels que la « tetraloop » UUUU. En analysant le contenu de ces motifs en nucléotides, nous avons remarqué que ces régions simples brins contiennent beaucoup plus de nucléotides A et U. Enfin, nous avons exploré la possibilité d’utiliser ces scores pour la conception d’un filtre qui permettrait d’accélérer la recherche de nouveaux ARN non-codants. Nous avons développé un système de scores, RNAscore, qui permet d’évaluer un ARN en se basant sur son contenu en motifs et nous avons testé son applicabilité avec différents types de contrôles.