Phosphorylated Nitrate Reductase and 14-3-3 Proteins1 : Site of Interaction, Effects of Ions, and Evidence for an AMP-Binding Site on 14-3-3 Proteins

The inactivation of phosphorylated nitrate reductase (NR) by the binding of 14-3-3 proteins is one of a very few unambiguous biological functions for 14-3-3 proteins. We report here that serine and threonine residues at the +6 to +8 positions, relative to the known regulatory binding site involving serine-543, are important in the interaction with GF14ω, a recombinant plant 14-3-3. Also shown is that an increase in ionic strength with KCl or inorganic phosphate, known physical effectors of NR activity, directly disrupts the binding of protein and peptide ligands to 14-3-3 proteins. Increased ionic strength attributable to KCl caused a change in conformation of GF14ω, resulting in reduced surface hydrophobicity, as visualized with a fluorescent probe. Similarly, it is shown that the 5′ isomer of AMP was specifically able to disrupt the inactive phosphorylated NR:14-3-3 complex. Using the 5′-AMP fluorescent analog trinitrophenyl-AMP, we show that there is a probable AMP-binding site on GF14ω.

DNA bending by hexamethylene-tethered ammonium ions.

DNA is bent when complexed with certain proteins. We are exploring the hypothesis that asymmetric neutralization of phosphate charges will cause the DNA double helix to collapse toward the neutralized face. We have previously shown that DNA spontaneously bends toward one face of the double helix when it is partially substituted with neutral methylphosphonate linkages. We have now synthesized DNA duplexes in which cations are tethered by hexamethylene chains near specific phosphates. Electrophoretic phasing experiments demonstrate that tethering six ammonium ions on one helical face causes DNA to bend by approximately 5 degrees toward that face, in qualitative agreement with predictions. Ion pairing between tethered cations and DNA phosphates provides a new model for simulating the electrostatic consequences of phosphate neutralization by proteins.

Excitation transfer spectroscopy with two metastable 138Ba+ ions in same trap.

In the absence of lasers approaching trapped ion clock transitions in sharpness we propose to replace the 12.49 m laser field exciting the D3/2-D5/2 transition of the single Ba+ ion A in D3/2 with the near-field of a close by identical ion B in the excited D5/2 state. We tune the frequency of the near-field by the differential Stark shift generated when the center of mass of the tuned ions is slightly moved out of the trap center by a small bias voltage. We demonstrate that the resultant resonant energy exchange can be made considerably faster than the natural lifetime of either metastable level and show how it might be detected.

Conformations and folding of lysozyme ions in vacuo.

Proton transfer reactivity of isolated charge states of the protein hen egg-white lysozyme shows that multiple distinct conformations of this protein are stable in the gas phase. The reactivities of the 9+ and 10+ charge state ions, formed by electrospray ionization of "native" (disulfide-intact) and "denatured" (disulfide-reduced) solutions, are consistent with values calculated for ions in their crystal structure and fully denatured conformations, respectively. Charge states below 8+ of both forms, formed by proton stripping, have similar or indistinguishable reactivities, indicating that the disulfide-reduced ions fold in the gas phase to a more compact conformation.

Crystallographic evidence for the action of potassium, thallium, and lithium ions on fructose-1,6-bisphosphatase.

Fructose-1,6-bisphosphatase (Fru-1,6-Pase; D-fructose-1,6-bisphosphate 1-phosphohydrolase, EC 3.1.3.11) requires two divalent metal ions to hydrolyze alpha-D-fructose 1,6-bisphosphate. Although not required for catalysis, monovalent cations modify the enzyme activity; K+ and Tl+ ions are activators, whereas Li+ ions are inhibitors. Their mechanisms of action are still unknown. We report here crystallographic structures of pig kidney Fru-1,6-Pase complexed with K+, Tl+, or both Tl+ and Li+. In the T form Fru-1,6-Pase complexed with the substrate analogue 2,5-anhydro-D-glucitol 1,6-bisphosphate (AhG-1,6-P2) and Tl+ or K+ ions, three Tl+ or K+ binding sites are found. Site 1 is defined by Glu-97, Asp-118, Asp-121, Glu-280, and a 1-phosphate oxygen of AhG-1,6-P2; site 2 is defined by Glu-97, Glu-98, Asp-118, and Leu-120. Finally, site 3 is defined by Arg-276, Glu-280, and the 1-phosphate group of AhG-1,6-P2. The Tl+ or K+ ions at sites 1 and 2 are very close to the positions previously identified for the divalent metal ions. Site 3 is specific to K+ or Tl+. In the divalent metal ion complexes, site 3 is occupied by the guanidinium group of Arg-276. These observations suggest that Tl+ or K+ ions can substitute for Arg-276 in the active site and polarize the 1-phosphate group, thus facilitating nucleophilic attack on the phosphorus center. In the T form complexed with both Tl+ and Li+ ions, Li+ replaces Tl+ at metal site 1. Inhibition by lithium very likely occurs as it binds to this site, thus retarding turnover or phosphate release. The present study provides a structural basis for a similar mechanism of inhibition for inositol monophosphatase, one of the potential targets of lithium ions in the treatment of manic depression.

Coordinate regulation of Bacillus subtilis peroxide stress genes by hydrogen peroxide and metal ions.

The Bacillus subtilis mrgA gene encodes an abundant DNA-binding protein that protects cells against the lethal effects of H2O2. Transcription of mrgA is induced by H2O2 or by entry into stationary phase when manganese and iron levels are low. We have selected for strains derepressed for transcription of mrgA in the presence of Mn(II). The resulting cis-acting mutants define an operator site just upstream of the mrgA promoter. Similar sequences flank the promoters for the catalase gene, katA, and the heme biosynthesis operon, hemAXCDBL. Like mrgA, transcription of the katA and hem genes is repressed by Mn(II), which thereby potentiates the killing action of H2O2. We identified two classes of trans-acting mutants derepressed for mrgA transcription in the presence of Mn(II): some exhibit a coordinate derepression of MrgA, catalase, heme biosynthesis, and alkyl hydroperoxide reductase and are H2O2 resistant, while others have reduced catalase activity and are H2O2 sensitive. These data indicate that the peroxide stress response of B. subtilis is regulated by a repressor that senses both metal ion levels and H2O2.

Sticky ions in biological systems.

Aqueous gel sieving chromatography on Sephadex G-10 of the Group IA cations (Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+) plus NH4+ as the Cl- salts, in combination with previous results for the halide anions (F-, Cl-, Br-, I-) as the Na+ salts [Washabaugh, M.W. & Collins, K.D. (1986) J. Biol. Chem. 261, 12477-12485], leads to the following conclusions. (i) The small monovalent ions (Li+, Na+, F-) flow through the gel with water molecules attached, whereas the large monovalent ions (K+, Rb+, Cs+, Cl-, Br-, I-) adsorb to the nonpolar surface of the gel, a process requiring partial dehydration of the ion and implying that these ions bind the immediately adjacent water molecules weakly. (ii) The transition from strong to weak hydration occurs at a radius of about 1.78 A for the monovalent anions, compared with a radius of about 1.06 A for the monovalent cations (using ionic radii), indicating that the anions are more strongly hydrated than the cations for a given charge density. (iii) The anions show larger deviations from ideal behavior (an elution position corresponding to the anhydrous molecular weight) than do the cations and dominate the chromatographic behavior of the neutral salts. These results are interpreted to mean that weakly hydrated ions (chaotropes) are "pushed" onto weakly hydrated surfaces by strong water-water interactions and that the transition from strong ionic hydration to weak ionic hydration occurs where the strength of ion-water interactions approximately equals the strength of water-water interactions in bulk solution.

Role of sodium and potassium ions in regulation of glucose metabolism in cultured astroglia.

Effects of increasing extracellular K+ or intracellular Na+ concentrations on glucose metabolism in cultures of rat astroglia and neurons were examined. Cells were incubated in bicarbonate buffer, pH 7.2, containing 2 mM glucose, tracer amounts of [14C]deoxyglucose ([14C]dGlc), and 5.4, 28, or 56 mM KCl for 10, 15, or 30 min, and then for 5 min in [14C]dGlc-free buffer to allow efflux of unmetabolized [14C]dGlc. Cells were then digested and assayed for labeled products, which were shown to consist of 96-98% [14C]deoxyglucose 6-phosphate. Increased K+ concentrations significantly raised [14C]deoxyglucose 6-phosphate accumulation in both neuronal and mixed neuronal-astroglial cultures at 15 and 30 min but did not raise it in astroglial cultures. Veratridine (75 microM), which opens voltage-dependent Na+ channels, significantly raised rates of [14C]dGlc phosphorylation in astroglial cultures (+20%), and these elevations were blocked by either 1 mM ouabain, a specific inhibitor of Na+,K(+)-ATPase (EC 3.6.1.37), or 10 microM tetrodotoxin, which blocks Na+ channels. The carboxylic sodium ionophore, monensin (10 microM), more than doubled [14C]dGlc phosphorylation; this effect was only partially blocked by ouabain and unaffected by tetrodotoxin. L-Glutamate (500 microM) also stimulated [14C]dGlc phosphorylation in astroglia--not through N-methyl-D-aspartate or non-N-methyl-D-aspartate receptor mechanisms but via a Na(+)-dependent glutamate-uptake system. These results indicate that increased uptake of Na+ can stimulate energy metabolism in astroglial cells.

The contribution of sulfate ions and protons to the specific capacitance of microporous carbon monoliths

The monoliths studied in this work show large specific surface areas (up to 1600 m2 g-1), high densities (up to 1.17 g cm-3) and high electrical conductivities (up to 9.5 S cm-1). They are microporous carbons with pore sizes up to 1.3 nm but most of them below 0.75 nm. They also show oxygen functionalities. The electrochemical behavior of the monoliths is studied in three-electrode cells with aqueous H2SO4 solution as electrolyte. This work deals with the contribution of the sulfate ions and protons to the specific capacitance of carbon monoliths having different surface areas and different contents of oxygen groups. Protons contribute with a pseudocapacitance (up to 152 F g-1) in addition to the double layer capacitance. Sulfate ions contribute with a double layer capacitance only. At the double layer, the capacitance of the sulfate ions (up to 291 F g-1) is slightly higher than that of protons (up to 251 F g-1); both capacitances increase as the surface area increases. The preference of protons to be electroadsorbed at the double layer and the broader voltage window of these ions account for their higher contribution (70 %) to the double layer capacitance.

Mécanismes moléculaires de l’hypertrophie vasculaire dans le modèle animal d’hypertension essentielle (SHR)

La voie de signalisation des phosphoinositides joue un rôle clé dans la régulation du tonus vasculaire. Plusieurs études rapportent une production endogène de l’angiotensin II (Ang II) et de l’endothéline-1 (ET-1) par les cellules musculaires lisses vasculaires (CMLVs) de rats spontanément hypertendus (spontaneously hypertensive rats : SHR). De plus, l’Ang II exogène induit son effet prohypertrophique sur les CMLVs selon un mécanisme dépendant de la protéine Gqα et de la PKCẟ. Cependant, le rôle de l’axe Gqα/PLCβ/PKCẟ dans l’hypertrophie des CMLVs provenant d’un modèle animal de l’hypertension artérielle n’est pas encore étudié. L’objectif principal de cette thèse est d’examiner le rôle de l’axe Gqα/PLCβ1 dans les mécanismes moléculaires de l’hypertrophie des CMLVs provenant d’un modèle animal d’hypertension artérielle essentielle (spontaneously hypertensive rats : SHR). Nos premiers résultats indiquent que contrairement aux CMLVs de SHR âgés de 12 semaines (absence d’hypertrophie cardiaque), les CMLVs de SHR âgés de 16 semaines (présence d’hypertrophie cardiaque) présentent une surexpression protéique endogène de Gqα et de PLCβ1 par rapport aux CMLVs de rats WKY appariés pour l’âge. L’inhibition du taux d’expression protéique de Gqα et de PLCβ1 par des siRNAs spécifiques diminue significativement le taux de synthèse protéique élevé dans les CMLVs de SHR. De plus, la surexpression endogène des Gqα et PLCβ1, l’hyperphosphorylation de la molécule ERK1/2 et le taux de synthèse protéique élevé dans les CMLVs de SHR de 16 semaines ont été atténués significativement par des antagonistes des récepteurs AT1 (losartan) et ETA (BQ123), mais pas par l’antagoniste du récepteur ETB (BQ788). L’inhibition pharmacologique des MAPKs par PD98059 diminue significativement la surexpression endogène de Gqα/PLCβ1 et le taux de synthèse protéique élevé dans les CMLVs de SHR. D’un côté, l’inhibition du stress oxydatif (par DPI, inhibiteur de la NAD(P)H oxidase, et NAC , molécule anti-oxydante), de la molécule c-Src (PP2) et des récepteurs de facteurs de croissance (AG1024 (inhibiteur de l’IGF1-R), AG1478 (inhibiteur de l’EGFR) et AG1295 (inhibiteur du PDGFR)) a permis d’atténuer significativement la surexpression endogène élevée de Gqα/PLCβ1 et l’hypertrophie des CMLVs de SHR. D’un autre côté, DPI, NAC et PP2 atténuent significativement l’hyperphosphorylation de la molécule c-Src, des RTKs (récepteurs à activité tyrosine kinase) et de la molécule ERK1/2. Dans une autre étude, nous avons aussi démontré que la PKCẟ montre une hyperphosphorylation en Tyr311 dans les CMLVs de SHR comparées aux CMLVs de WKY. La rottlerin, utilisée comme inhibiteur spécifique de la PKCẟ, inhibe significativement cette hyperphosphorylation en Tyr311 dépendamment de la concentration. L’inhibition de l’activité de la PKCẟ par la rottlerin a été aussi associée à une atténuation significative de la surexpression protéique endogène de Gqα/PLCβ1 et l’hypertrophie des CMLVs de SHR. De plus, l’inhibition pharmacologique de l’activité de la PKCẟ, en amont du stress oxydatif, a permis d’inhiber significativement l’activité de la NADPH, le taux de production élevée de l’ion superoxyde ainsi que l’hyperphosphorylation de la molécule ERK1/2, de la molécule c-Src et des RTKs. À notre surprise, nous avons aussi remarqué une surexpression protéique de l’EGFR et de l’IGF-1R dans les CMLVs de SHR à l’âge de 16 semaines. L’inhibition pharmacologique de l’activité de la PKCẟ, de la molécule c-Src et du stress oxydatif a permis d’inhiber significativement la surexpression protéique endogène de ces RTKs. De plus, l’inhibition de l’expression protéique de l’EGFR et de la molécule c-Src par des siRNA spécifiques atténue significativement le taux d’expression protéique élevé de Gqα et de PLCβ1 ainsi que le taux de synthèse protéique élevé dans les CMLVs de SHR. Des siRNAs spécifiques à la PKCẟ ont permis d’atténuer significativement le taux de synthèse protéique élevé dans les CMLVs de SHR et confirment le rôle important de la PKCẟ dans les mécanismes moléculaires de l’hypertrophie des CMLVs selon une voie dépendante du stress oxydatif. En conclusion, ces résultats suggèrent un rôle important de l’activation endogène de l’axe Gqα-PLCβ-PKCẟ dans le processus d’hypertrophie vasculaire selon un mécanisme impliquant une activation endogène des récepteurs AT1/ETa, de la molécule c-Src, du stress oxidatif, des RTKs et des MAPKs.

Bases moléculaires et cellulaires d’un trouble neurodéveloppemental causé par l’haploinsuffisance de SYNGAP1

La déficience intellectuelle est la cause d’handicap la plus fréquente chez l’enfant. De nombreuses évidences convergent vers l’idée selon laquelle des altérations dans les gènes synaptiques puissent expliquer une fraction significative des affections neurodéveloppementales telles que la déficience intellectuelle ou encore l’autisme. Jusqu’à récemment, la majorité des mutations associées à la déficience intellectuelle a été liée au chromosome X ou à la transmission autosomique récessive. D’un autre côté, plusieurs études récentes suggèrent que des mutations de novo dans des gènes à transmission autosomique dominante, requis dans les processus de la plasticité synaptique peuvent être à la source d’une importante fraction des cas de déficience intellectuelle non syndromique. Par des techniques permettant la capture de l’exome et le séquençage de l’ADN génomique, notre laboratoire a précédemment reporté les premières mutations pathogéniques dans le gène à transmission autosomique dominante SYNGAP1. Ces dernières ont été associées à des troubles comportementaux tels que la déficience intellectuelle, l’inattention, des problèmes d’humeur, d’impulsivité et d’agressions physiques. D’autres patients sont diagnostiqués avec des troubles autistiques et/ou des formes particulières d’épilepsie généralisée. Chez la souris, le knock-out constitutif de Syngap1 (souris Syngap1+/-) résulte en des déficits comme l’hyperactivité locomotrice, une réduction du comportement associée à l’anxiété, une augmentation du réflexe de sursaut, une propension à l’isolation, des problèmes dans le conditionnement à la peur, des troubles dans les mémoires de travail, de référence et social. Ainsi, la souris Syngap1+/- représente un modèle approprié pour l’étude des effets délétères causés par l’haploinsuffisance de SYNGAP1 sur le développement de circuits neuronaux. D’autre part, il est de première importance de statuer si les mutations humaines aboutissent à l’haploinsuffisance de la protéine. SYNGAP1 encode pour une protéine à activité GTPase pour Ras. Son haploinsuffisance entraîne l’augmentation des niveaux d’activité de Ras, de phosphorylation de ERK, cause une morphogenèse anormale des épines dendritiques et un excès dans la concentration des récepteurs AMPA à la membrane postsynaptique des neurones excitateurs. Plusieurs études suggèrent que l’augmentation précoce de l’insertion des récepteurs AMPA au sein des synapses glutamatergiques contribue à certains phénotypes observés chez la souris Syngap1+/-. En revanche, les conséquences de l’haploinsuffisance de SYNGAP1 sur les circuits neuronaux GABAergiques restent inconnues. Les enjeux de mon projet de PhD sont: 1) d’identifier l’impact de mutations humaines dans la fonction de SYNGAP1; 2) de déterminer si SYNGAP1 contribue au développement et à la fonction des circuits GABAergiques; 3) de révéler comment l’haploinsuffisance de Syngap1 restreinte aux circuits GABAergiques affecte le comportement et la cognition. Nous avons publié les premières mutations humaines de type faux-sens dans le gène SYNGAP1 (c.1084T>C [p.W362R]; c.1685C>T [p.P562L]) ainsi que deux nouvelles mutations tronquantes (c.2212_2213del [p.S738X]; c.283dupC [p.H95PfsX5]). Ces dernières sont toutes de novo à l’exception de c.283dupC, héritée d’un père mosaïque pour la même mutation. Dans cette étude, nous avons confirmé que les patients pourvus de mutations dans SYNGAP1 présentent, entre autre, des phénotypes associés à des troubles comportementaux relatifs à la déficience intellectuelle. En culture organotypique, la transfection biolistique de l’ADNc de Syngap1 wild-type dans des cellules pyramidales corticales réduit significativement les niveaux de pERK, en fonction de l’activité neuronale. Au contraire les constructions plasmidiques exprimant les mutations W362R, P562L, ou celle précédemment répertoriée R579X, n’engendre aucun effet significatif sur les niveaux de pERK. Ces résultats suggèrent que ces mutations faux-sens et tronquante résultent en la perte de la fonction de SYNGAP1 ayant fort probablement pour conséquences d’affecter la régulation du développement cérébral. Plusieurs études publiées suggèrent que les déficits cognitifs associés à l’haploinsuffisance de SYNGAP1 peuvent émerger d’altérations dans le développement des neurones excitateurs glutamatergiques. Toutefois, si, et auquel cas, de quelle manière ces mutations affectent le développement des interneurones GABAergiques résultant en un déséquilibre entre l’excitation et l’inhibition et aux déficits cognitifs restent sujet de controverses. Par conséquent, nous avons examiné la contribution de Syngap1 dans le développement des circuits GABAergiques. A cette fin, nous avons généré une souris mutante knockout conditionnelle dans laquelle un allèle de Syngap1 est spécifiquement excisé dans les interneurones GABAergiques issus de l’éminence ganglionnaire médiale (souris Tg(Nkx2.1-Cre);Syngap1flox/+). En culture organotypique, nous avons démontré que la réduction de Syngap1 restreinte aux interneurones inhibiteurs résulte en des altérations au niveau de leur arborisation axonale et dans leur densité synaptique. De plus, réalisés sur des coupes de cerveau de souris Tg(Nkx2.1-Cre);Syngap1flox/+, les enregistrements des courants inhibiteurs postsynaptiques miniatures (mIPSC) ou encore de ceux évoqués au moyen de l’optogénétique (oIPSC) dévoilent une réduction significative de la neurotransmission inhibitrice corticale. Enfin, nous avons comparé les performances de souris jeunes adultes Syngap1+/-, Tg(Nkx2.1-Cre);Syngap1flox/+ à celles de leurs congénères contrôles dans une batterie de tests comportementaux. À l’inverse des souris Syngap1+/-, les souris Tg(Nkx2.1-Cre);Syngap1flox/+ ne présentent pas d’hyperactivité locomotrice, ni de comportement associé à l’anxiété. Cependant, elles démontrent des déficits similaires dans la mémoire de travail et de reconnaissance sociale, suggérant que l’haploinsuffisance de Syngap1 restreinte aux interneurones GABAergiques dérivés de l’éminence ganglionnaire médiale récapitule en partie certains des phénotypes cognitifs observés chez la souris Syngap1+/-. Mes travaux de PhD établissent pour la première fois que les mutations humaines dans le gène SYNGAP1 associés à la déficience intellectuelle causent la perte de fonction de la protéine. Mes études dévoilent, également pour la première fois, l’influence significative de ce gène dans la régulation du développement et de la fonction des interneurones. D’admettre l’atteinte des cellules GABAergiques illustre plus réalistement la complexité de la déficience intellectuelle non syndromique causée par l’haploinsuffisance de SYNGAP1. Ainsi, seule une compréhension raffinée de cette condition neurodéveloppementale pourra mener à une approche thérapeutique adéquate.

Emerging technologies : Bio-Recovery Systems removal and recovery of metal ions from groundwater.

"August 1990."

The effects of ions in colloidal systems,

Mode of access: Internet.