Complementation analysis of mutants of nitric oxide synthase reveals that the active site requires two hemes.

For catalytic activity, nitric oxide synthases (NOSs) must be dimeric. Previous work revealed that the requirements for stable dimerization included binding of tetrahydrobiopterin (BH4), arginine, and heme. Here we asked what function is served by dimerization. We assessed the ability of individually inactive mutants of mouse inducible NOS (iNOS; NOS2), each deficient in binding a particular cofactor or cosubstrate, to complement each other by generating NO upon cotransfection into human epithelial cells. The ability of the mutants to homodimerize was gauged by gel filtration and/or PAGE under partially denaturing conditions, both followed by immunoblot. Their ability to heterodimerize was assessed by coimmunoprecipitation. Heterodimers that contained only one COOH-terminal hemimer and only one BH4-binding site could both form and function, even though the NADPH-, FAD-, and FMN-binding domains (in the COOH-terminal hemimer) and the BH4-binding sites (in the NH2-terminal hemimer) were contributed by opposite chains. Heterodimers that contained only one heme-binding site (Cys-194) could also form, either in cis or in trans to the nucleotide-binding domains. However, for NO production, both chains had to bind heme. Thus, NO production by iNOS requires dimerization because the active site requires two hemes.

Inducible nitric oxide synthase: identification of amino acid residues essential for dimerization and binding of tetrahydrobiopterin.

Nitric oxide synthases (NOSs) require tetrahydrobiopterin (BH4) for dimerization and NO production. Mutation analysis of mouse inducible NOS (iNOS; NOS2) identified Gly-450 and Ala-453 as critical for NO production, dimer formation, and BH4 binding. Substitutions at five neighboring positions were tolerated, and normal binding of heme, calmodulin, and NADPH militated against major distortions affecting the NH2-terminal portion, midzone, or COOH terminus of the inactive mutants. Direct involvement of residues 450 and 453 in the binding of BH4 is supported by the striking homology of residues 448-480 to a region extensively shared by the three BH4-utilizing aromatic amino acid hydroxylases and is consistent with the conservation of these residues among all 10 reported NOS sequences, including mammalian NOSs 1, 2, and 3, as well as avian and insect NOSs. Altered binding of BH4 and/or L-arginine may explain how the addition of a single methyl group to the side chain of residue 450 or the addition of three methylenes to residue 453 can each abolish an enzymatic activity that reflects the concerted function of 1143 other residues.

Molecular and biochemical characterization of dNOS: a Drosophila Ca2+/calmodulin-dependent nitric oxide synthase.

Nitric oxide (NO) is an intercellular messenger involved with various aspects of mammalian physiology ranging from vasodilation and macrophage cytotoxicity to neuronal transmission. NO is synthesized from L-arginine by NO synthase (NOS). Here, we report the cloning of a Drosophila NOS gene, dNOS, located at cytological position 32B. The dNOS cDNA encodes a protein of 152 kDa, with 43% amino acid sequence identity to rat neuronal NOS. Like mammalian NOSs, DNOS protein contains putative binding sites for calmodulin, FMN, FAD, and NADPH. DNOS activity is Ca2+/calmodulin dependent when expressed in cell culture. An alternative RNA splicing pattern also exists for dNOS, which is identical to that for vertebrate neuronal NOS. These structural and functional observations demonstrate remarkable conservation of NOS between vertebrates and invertebrates.

Human fatty acid synthase: properties and molecular cloning.

Fatty acid synthase (FAS; EC 2.3.1.85) was purified to near homogeneity from a human hepatoma cell line, HepG2. The HepG2 FAS has a specific activity of 600 nmol of NADPH oxidized per min per mg, which is about half that of chicken liver FAS. All the partial activities of human FAS are comparable to those of other animal FASs, except for the beta-ketoacyl synthase, whose significantly lower activity is attributable to the low 4'-phosphopantetheine content of HepG2 FAS. We cloned the human brain FAS cDNA. The cDNA sequence has an open reading frame of 7512 bp that encodes 2504 amino acids (M(r), 272,516). The amino acid sequence of the human FAS has 79% and 63% identity, respectively, with the sequences of the rat and chicken enzymes. Northern analysis revealed that human FAS mRNA was about 9.3 kb in size and that its level varied among human tissues, with brain, lung, and liver tissues showing prominent expression. The nucleotide sequence of a segment of the HepG2 FAS cDNA (bases 2327-3964) was identical to that of the cDNA from normal human liver and brain tissues, except for a 53-bp sequence (bases 3892-3944) that does not alter the reading frame. This altered sequence is also present in HepG2 genomic DNA. The origin and significance of this sequence variance in the HepG2 FAS gene are unclear, but the variance apparently does not contribute to the lower activity of HepG2 FAS.

Crystallization and preliminary x-ray studies of NADPH-cytochrome P450 reductase.

NADPH-cytochrome P450 reductase (CPR; NADPH:ferrihemoprotein reductase, EC 1.6.2.4) catalyzes the transfer of electrons to all known microsomal cytochromes P450. CPR is unique in that it is one of only two mammalian enzymes known to contain both flavin adenine dinucleotide (FAD) and flavin mononucleotide (FMN), the other being the various isoforms of nitric oxide synthase. Similarities in amino acid sequence and in functional domain arrangement with other key flavoproteins, including nitric oxide synthase, make CPR an excellent prototype for studies of interactions between two flavin cofactors. We have obtained diffraction-quality crystals of rat liver CPR, expressed in Escherichia coli and solubilized by limited proteolysis with trypsin. The crystals were grown in Hepes buffer (pH 7.0), containing polyethylene glycol 4500 and NaCl. The crystals belong to the orthorhombic space group P2(1)2(1)2(1), with unit cell dimensions a = 103.3 A, b = 116.1 A, and c = 120.4 A. If we assume that there are two molecules of the 72-kDa CPR polypeptide per asymmetric unit, the calculated value of Vm is 2.54 A3/Da.

Elucidating the specificity of binding of sulfonylurea herbicides to acetohydroxyacid synthase

Acetohydroxyacid synthase (AHAS, EC 2.2.1.6) is the target for the sulfonylurea herbicides, which act as potent inhibitors of the enzyme. Chlorsulfuron (marketed as Glean) and sulforneturon methyl (marketed as Oust) are two commercially important members of this family of herbicides. Here we report crystal structures of yeast AHAS in complex with chlorsulfuron (at a resolution of 2.19 Angstrom), sulforneturon methyl (2.34 Angstrom), and two other sulfonylureas, metsulfuron methyl (2.29 Angstrom) and tribenuron methyl (2.58 Angstrom). The structures observed suggest why these inhibitors have different potencies and provide clues about the differential effects of mutations in the active site tunnel on various inhibitors. In all of the structures, the thiamin diphosphate cofactor is fragmented, possibly as the result of inhibitor binding. In addition to thiamin diphosphate, AHAS requires FAD for activity. Recently, it has been reported that reduction of FAD can occur as a minor side reaction due to reaction with the carbanion/enamine of the hydroxyethyl-ThDP intermediate that is formed midway through the catalytic cycle. Here we report that the isoalloxazine ring has a bent conformation that would account for its ability to accept electrons from the hydroxyethyl intermediate. Most sequence and mutation data suggest that yeast AHAS is a high-quality model for the plant enzyme.

Herbicide-binding Sites Revealed in the Structure of Plant Acetohydroxyacid Synthase

The sulfonylureas and imidazolinones are potent commercial herbicide families. They are among the most popular choices for farmers worldwide, because they are nontoxic to animals and highly selective. These herbicides inhibit branched-chain amino acid biosynthesis in plants by targeting acetohydroxyacid synthase (AHAS, EC 2.2.1.6). This report describes the 3D structure of Arabidopsis thaliana AHAS in complex with five sulfonylureas (to 2.5 angstrom resolution) and with the imidazolinone, imazaquin (IQ; 2.8 angstrom). Neither class of molecule has a structure that mimics the substrates for the enzyme, but both inhibit by blocking a channel through which access to the active site is gained. The sulfonylureas approach within 5 angstrom of the catalytic center, which is the C2 atom of the cofactor thiamin diphosphate, whereas IQ is at least 7 angstrom from this atom. Ten of the amino acid residues that bind the sulfonylureas also bind IQ. Six additional residues interact only with the sulfonylureas, whereas there are two residues that bind IQ but not the sulfonylureas. Thus, the two classes of inhibitor occupy partially overlapping sites but adopt different modes of binding. The increasing emergence of resistant weeds due to the appearance of mutations that interfere with the inhibition of AHAS is now a worldwide problem. The structures described here provide a rational molecular basis for understanding these mutations, thus allowing more sophisticated AHAS inhibitors to be developed. There is no previously described structure for any plant protein in complex with a commercial herbicide.

Augmentation sélective de l'expression protéique et de l'ARNm de la synthase du monoxyde d'azote dans les régions vulnérables du cerveau chez les rats déficients en thiamine

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Augmentation sélective de l'expression protéique et de l'ARNm de la synthase du monoxyde d'azote dans les régions vulnérables du cerveau chez les rats déficients en thiamine

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

The regulatory role of eNOS-derived nitric oxide on transcription in endothelial cells: Impact of S-nitrosylation on β-catenin signaling

Les cellules endothéliales forment une couche semi-perméable entre le sang et les organes. La prolifération, la migration et la polarisation des cellules endothéliales sont essentielles à la formation de nouveaux vaisseaux à partir de vaisseaux préexistants, soit l’angiogenèse. Le facteur de croissance de l’endothélium vasculaire (VEGF) peut activer la synthase endothéliale du monoxyde d’azote (eNOS) et induire la production de monoxyde d’azote (NO) nécessaire pour la régulation de la perméabilité vasculaire et l’angiogenèse. β- caténine est une composante essentielle du complexe des jonctions d’ancrage ainsi qu’un régulateur majeur de la voie de signalisation de Wnt/β-caténine dans laquelle elle se joint au facteur de transcription TCF/LEF et module l’expression de nombreux gènes, dont certains sont impliqués dans l’angiogenèse. La S-nitrosylation (SNO) est un mécanisme de régulation posttraductionnel des protéines par l’ajout d’un groupement nitroso au niveau de résidus cystéines. Le NO produit par eNOS peut induire la S-nitrosylation de la β−caténine au niveau des jonctions intercellulaires et moduler la perméabilité de l’endothélium. Il a d’ailleurs été montré que le NO peut contrôler l’expression génique par la transcription. Le but de cette thèse est d’établir le rôle du NO au sein de la transcription des cellules endothéliales, spécifiquement au niveau de l’activité de β-caténine. Le premier objectif était de déterminer si la SNO de la β-caténine affecte son activité transcriptionnelle. Nous avons montré que le NO inhibe l’activité transcriptionnelle de β- caténine ainsi que la prolifération des cellules endothéliales induites par l’activation de la voie Wnt/β-caténine. Il est intéressant de constater que le VEGF, qui induit la production de NO via eNOS, réprime l’expression de AXIN2 qui est un gène cible de Wnt s’exprimant suite à la i i stimulation par Wnt3a et ce, dépendamment de eNOS. Nous avons identifié que la cystéine 466 de la β-caténine est un résidu essentiel à la modulation répressive de son activité transcriptionnelle par le NO. Lorsqu’il est nitrosylé, ce résidu est responsable de la perturbation du complexe de transcription formé de β-caténine et TCF-4 ce qui inhibe la prolifération des cellules endothéliales induite par la stimulation par Wnt3a. Puisque le NO affecte la transcription, nous avons réalisé l’analyse du transcriptome afin d’obtenir une vue d’ensemble du rôle du NO dans l’activité transcriptionnelle des cellules endothéliales. L’analyse différentielle de l’expression des gènes de cellules endothéliales montre que la répression de eNOS par siRNA augmente l’expression de gènes impliqués au niveau de la polarisation tels que : PARD3A, PARD3B, PKCZ, CRB1 et TJ3. Cette analyse suggère que le NO peut réguler la polarisation des cellules et a permis d’identifier des gènes responsables de l’intégrité des cellules endothéliales et de la réponse immunitaire. De plus, l’analyse de voies de signalisation par KEGG montre que certains gènes modulés par l’ablation de eNOS sont enrichis dans de nombreuses voies de signalisation, notamment Ras et Notch qui sont importantes lors de la migration cellulaire et la différenciation des cellules de têtes et de tronc (tip/stalk). Le regroupement des gènes exprimés chez les cellules traitées au VEGF (déplétées de eNOS ou non) révèle que le NO peut affecter l’expression de gènes contribuant au processus angiogénique, dont l’attraction chimiotactique. Notre étude montre que le NO module la transcription des cellules endothéliales et régule l’expression des gènes impliqués dans l’angiogenèse et la fonction endothéliale.

The regulatory role of eNOS-derived nitric oxide on transcription in endothelial cells: Impact of S-nitrosylation on β-catenin signaling

Les cellules endothéliales forment une couche semi-perméable entre le sang et les organes. La prolifération, la migration et la polarisation des cellules endothéliales sont essentielles à la formation de nouveaux vaisseaux à partir de vaisseaux préexistants, soit l’angiogenèse. Le facteur de croissance de l’endothélium vasculaire (VEGF) peut activer la synthase endothéliale du monoxyde d’azote (eNOS) et induire la production de monoxyde d’azote (NO) nécessaire pour la régulation de la perméabilité vasculaire et l’angiogenèse. β- caténine est une composante essentielle du complexe des jonctions d’ancrage ainsi qu’un régulateur majeur de la voie de signalisation de Wnt/β-caténine dans laquelle elle se joint au facteur de transcription TCF/LEF et module l’expression de nombreux gènes, dont certains sont impliqués dans l’angiogenèse. La S-nitrosylation (SNO) est un mécanisme de régulation posttraductionnel des protéines par l’ajout d’un groupement nitroso au niveau de résidus cystéines. Le NO produit par eNOS peut induire la S-nitrosylation de la β−caténine au niveau des jonctions intercellulaires et moduler la perméabilité de l’endothélium. Il a d’ailleurs été montré que le NO peut contrôler l’expression génique par la transcription. Le but de cette thèse est d’établir le rôle du NO au sein de la transcription des cellules endothéliales, spécifiquement au niveau de l’activité de β-caténine. Le premier objectif était de déterminer si la SNO de la β-caténine affecte son activité transcriptionnelle. Nous avons montré que le NO inhibe l’activité transcriptionnelle de β- caténine ainsi que la prolifération des cellules endothéliales induites par l’activation de la voie Wnt/β-caténine. Il est intéressant de constater que le VEGF, qui induit la production de NO via eNOS, réprime l’expression de AXIN2 qui est un gène cible de Wnt s’exprimant suite à la i i stimulation par Wnt3a et ce, dépendamment de eNOS. Nous avons identifié que la cystéine 466 de la β-caténine est un résidu essentiel à la modulation répressive de son activité transcriptionnelle par le NO. Lorsqu’il est nitrosylé, ce résidu est responsable de la perturbation du complexe de transcription formé de β-caténine et TCF-4 ce qui inhibe la prolifération des cellules endothéliales induite par la stimulation par Wnt3a. Puisque le NO affecte la transcription, nous avons réalisé l’analyse du transcriptome afin d’obtenir une vue d’ensemble du rôle du NO dans l’activité transcriptionnelle des cellules endothéliales. L’analyse différentielle de l’expression des gènes de cellules endothéliales montre que la répression de eNOS par siRNA augmente l’expression de gènes impliqués au niveau de la polarisation tels que : PARD3A, PARD3B, PKCZ, CRB1 et TJ3. Cette analyse suggère que le NO peut réguler la polarisation des cellules et a permis d’identifier des gènes responsables de l’intégrité des cellules endothéliales et de la réponse immunitaire. De plus, l’analyse de voies de signalisation par KEGG montre que certains gènes modulés par l’ablation de eNOS sont enrichis dans de nombreuses voies de signalisation, notamment Ras et Notch qui sont importantes lors de la migration cellulaire et la différenciation des cellules de têtes et de tronc (tip/stalk). Le regroupement des gènes exprimés chez les cellules traitées au VEGF (déplétées de eNOS ou non) révèle que le NO peut affecter l’expression de gènes contribuant au processus angiogénique, dont l’attraction chimiotactique. Notre étude montre que le NO module la transcription des cellules endothéliales et régule l’expression des gènes impliqués dans l’angiogenèse et la fonction endothéliale.

Association of inducible nitric oxide synthase with asthma severity, total serum immunoglobulin E and blood eosinophil levels

Background Nitric oxide is released by immune, epithelial and endothelial cells, and plays an important part in the pathophysiology of asthma. Objective To investigate the association of inducible nitric oxide synthases (iNOS) gene repeat polymorphisms with asthma. Methods 230 families with asthma (842 individuals) were recruited to identify and establish the genetic association of iNOS repeats with asthma and associated phenotypes. Serum nitric oxide levels in selected individuals were measured and correlated with specific genotypes. Multiple logistic regression analysis was performed to determine the effect of age and sex. Results A total of four repeats—a (CCTTT)n promoter repeat, a novel intron 2 (GT)n repeat (BV680047), an intron 4 (GT)n repeat (AFM311ZB1) and an intron 5 (CA)n repeat (D17S1878)—were identified and genotyped. A significant transmission distortion to the probands with asthma was seen for allele 3 of the AFM311ZB1 gene (p = 0.006). This allele was also found to be significantly associated with percentage blood eosinophils (p<0.001) and asthma severity (p = 0.04). Moreover, it was functionally correlated with high serum nitric oxide levels (p = 0.006). Similarly, the promoter repeat was found to be associated with serum total immunoglobulin (Ig)E (p = 0.028). Individuals carrying allele 4 of this repeat have high serum IgE (p<0.001) and nitric oxide levels (p = 0.03). Conclusion This is the first study to identify the repeat polymorphisms in the iNOS gene that are associated with severity of asthma and eosinophils. The functional relevance of the associated alleles with serum nitric oxide levels was also shown. Therefore, these results could be valuable in elucidating the role of nitric oxide in asthma pathogenesis.