Caracterització estructural de Ribonucleases humanes

Les dues proteïnes estudiades en aquest treball (ECP o RNasa 3 i RNasa 1ΔN7) pertanyen a la superfamília de la RNasa A i resulten d'especial interès per la seva potencial aplicació en la teràpia i/o diagnòstic del càncer. A més de la seva capacitat ribonucleolítica, l'ECP presenta d'altres activitats, com l'antibacteriana, l'helmintotòxica o la citotòxica contra cèl·lules i teixits de mamífers. Per la RNasa 1 de tipus pancreàtic expressada per les cèl·lules endotelials humanes també s'ha proposat un paper defensiu. La RNasa 1ΔN7, en canvi, no presenta aquest tipus d'accions biològiques, si bé cal destacar la menor afinitat que exhibeix enfront el seu inhibidor específic en relació a d'altres membres de la família. Tant l'ECP com la RNasa 1ΔN7 s'han cristal·litzat emprant la tècnica de la difusió de vapor en gotes penjants, i s'han determinat les seves estructures tridimensionals (3D) mitjançant el mètode del reemplaçament molecular. Per l'afinament de les estructures s'han usat dades fins a 1,75 i 1,90 Å respectivament. Ambdòs molècules exhibeixen el plegament típic  +  que caracteritza a tots els membres de la superfamília de la RNasa A. Tanmateix, les diferències que mostren en comparació amb l'estructura d'altres RNases permeten explicar, d'una banda, la baixa activitat ribonucleolítica d'aquests enzims i, de l'altra, les seves peculiaritats funcionals.

Estabilitat conformacional de variants de la ribonucleasa A: pressió i temperatura com a inductors dels desplegament proteic

A fi d'analitzar la contribució de la regió C-terminal proposada com a iniciadora del plegament (CFIS 106-118) a l'estabilitat de l'RNasa A, els residus alifàtics d'aquesta regió es van substituir, mitjançant mutagènesi dirigida, per altres residus en els quals la cadena lateral alifàtica era rogressivament escurçada. La major part de les substitucions projectades suposaven delecions no disruptives de grups metil(è). A més, es va reemplaçar la Tyr115 per un Trp, de manera que, potencialment, s'introduïa una única sonda fluorescent, no desestabilitzant, per tal de seguir els canvis conformacionals que es poguessin generar en la regió durant el procés de legament/desplegament de la proteïna. Tant els paràmetres cinètics, com els espectres d'FTIR i CD, determinats per cadascuna de les ribonucleases variants, indiquen que els reemplaçaments aminoacídics efectuats presenten, en general, poc o cap efecte en l'estructura nativa i en l'activitat de l'enzim. Es va emprar l'espectroscòpia d'absorció a l'ultraviolat de quarta derivada, la fluorescència (per la variant amb Trp) i l'espectroscòpia d'infraroig per transformada de Fourier, per tal de seguir i caracteritzar, en condicions d'equilibri, les transicions conformacionals de cada variant en funció de la pressió i de la temperatura. Els resultats es van comparar amb els que es van obtenir per la proteïna salvatge. Per determinar més a fons les característiques del procés de desplegament de la variant Y115W, les transicions de desnaturalització induïdes per urea d'aquesta variant i de la proteïna salvatge, van ésser examinades per mitjà d'electroforesi en gradient d'urea i espectroscòpia de fluorescència. Curiosament, els canvis conformacionals que resulten de la desnaturalització per pressió són molt semblants als que s'obtenen per temperatura. Enfront d'un augment gradual tant de pressió com de temperatura, l'estructura terciària i els elements d'estructura secundària de les proteïnes estudiades es perden de manera conjunta i reversible. Aquestes variacions estructurals que es promouen descriuen un procés de desplegament molt cooperatiu i en dos estats. Atès que ambdues tècniques (UV i FTIR) utilitzen cadascuna un règim de concentració proteica molt diferent, els resultats indiquen que el procés de desplegament per pressió i per temperatura és intramolecular. Els resultats obtinguts suggereixen que la hidrofobicitat i el volum de les cadenes laterals del CFIS, juntament amb les interaccions de van der Waals entre elements d'estructura secundària intervenen de manera molt notable en l'estabilització de la proteïna. Entre els diferents aminoàcids alifàtics que pertanyen al CFIS C-terminal, la Val108 és el residu més important per tal de preservar la integritat estructural de l'estat natiu. Els reemplaçaments en aquesta posició causen petites alteracions conformacionals i una gran desestabilització de la proteïna (per exemple, el punt mig de la transició de desnaturalització per pressió i per temperatura de la variant V108G disminueix uns 592 MPa i 25ºC, respectivament, respecte a la proteïna salvatge). D'acord amb els resultats obtinguts, la variant Y115W ofereix una sonda útil per tal de seguir la cinètica de plegament/desplegament de l'RNasa A.

Estudi d'una metal·lotioneïna d'alzina surera (QsMT)

En aquest treball es caracteriza per primera vegada la capacitat de coordinació metàl·lica d'una metal·lotineïna (MT) de planta i es proposa un model de plegament per a les MTs de planta en general. Els resultat mostren que aquestes proteïnes poden tenir un paper molt important en la regulació de l'estat redox de les cèl·lules, probablement a través de la coordinació a Cu. Les MTs de planta són proteïnes molt desconegudes. Es postula que participen en l'homeòstasi del Cu i en la protecció contra l'estrès oxidatiu, però es desconeix la capacitat de coordinació metàl·lica i el plegament. En aquest treball s'han estudiat una metal·lotioneïna d'alzina surera, QsMT, aïllada d'una llibreria de cDNA de fel·lema. Els objectius concrets han estat: (1) estudiar l'expressió de QsMT i la resposta a l'estrès oxidatiu; (2) determinar la capacitat de coordinació metàl·lica i la funcionalitat in vivo; (3) fer una aproximació al plegament de les MTs de planta. L'expressió del gen s'ha estudiat mitjançant hibridació in situ en plàntules i en embrions d'alzina surera. QsMT s'expressa majoritàriament en cèl·lules amb fort estrès oxidatiu, associat a la síntesi de polifenols (suberització i lignificació) i a la senescència. També s'expressa en cèl·lules meristemàtiques, cèl·lules en divisió molt activa on la funció de les MTs podria estar relacionada amb el manteniment de l'estat redox. L'aplicació d'estrès oxidatiu exogen (H2O2 i paraquat) incrementa fortament l'expressió de QsMT en teixits amb expressió constitutiva, confirmant la regulació de l'expressió del gen per estrès oxidatiu. Per l'estudi de les propietats de coordinació metàl·lica es va expressar QsMT en cèl·lules d'E. coli en medi de cultiu suplementat amb Cu, Zn o Cd. Es van aïllar els agregats metàl·lics corresponents i es van analitzar mitjançant tècniques espectroscòpiques i espectromètriques (ICP-OES, ESI-MS i CD). Els resultats mostren que QsMT coordina de forma estable Cu (8 ions metàl·lics/molècula), Zn (4 ions de Zn/molècula) i Cd (6 ions de Cd/molècula), i adopta una estructura especialment quiral en coordinació a Cu. L'elevada capacitat quelant de la proteïna i la quiralitat de l'estructura indiquen que QsMT possiblement té preferència metàl·lica pel Cu i per tant una funció relacionada amb aquest metall in vivo. Estudis de complementació en llevat demostren que QsMT coordina Cu de forma funcional in vivo. En coordinació a Cd QsMT presenta una peculiaritat no observada fins ara en altres MTs: la participació d'ions sulfur en la formació de l'agregat metàl·lic incrementant la capacitat de coordinació metàl·lica (6 ions metàl·lics divalents de Cd enlloc de 4 ions de Zn). A més QsMT coordina Cd de forma funcional en llevat, i per tant la seva funció també podria estar relacionada amb la destoxicació de Cd en la planta. QsMT s'ha utilitzat com a model per fer una aproximació al plegament de les MTs de planta. Amb aquest objectiu vam dissenyar tres pèptids mutants derivats de QsMT: N25 corresponent a la zona rica en cisteïna en posició amino-terminal, C18 corresponent a la zona rica en cisteïna en posició carboxil-terminal, i N25-C18 corresponent a les dues zones riques en cisteïna enllaçades per 4 glicines substituint la zona central de 39 aminoàcids. Es van expressar i estudiar aquests pèptids per les mateixes tècniques utilitzades en l'estudi de QsMT. Els resultats indiquen que QsMT es plega formant un sol agregat metàl·lic per la interacció de les dues zones riques en cisteïna. En aquest model la zona central d'enllaç, típica de les MTs de planta, no participa en la coordinació metàl·lica però és imprescindible per a la funció de la proteïna. El paper de la zona central podria variar en funció del metall que coordina, participant en el plegament i estructura de la proteïna quan coordina Zn i Cd i en la seva regulació i estabilització quan coordina Cu.

Paper del nucli hidrofòbic principal de la RNasa A en el plegament i desplegament induïts per pressió i temperatura

Utilitzant temperatura i pressió com a agents desnaturalitzants s'ha explorat la contribució a l'estabilitat de diferents residus del principal nucli hidrofòbic de la RNasa A. Aquests resutats suggereixen que el principal nucli hidrofòbic d'aquest enzim, està fortament empaquetat i ha revelat l'existència de reordenacions en l'interior de la proteïna. El mètode dels valors , han permès estudiar el paper de les interaccions hidrofòbiques establertes pels residus del principal nucli hidrofòbic de la RNasa A en el seu estat de transició induït per pressió. En conjunt, aquests resultats suggereixen que l'estat de transició de la RNasa A, s'assemblaria a un glòbul col·lapsat amb una cadena estructurada però amb un debilitat nucli hidrofòbic. S'ha explorat també, el paisatge energètic del plegament/desplegament proteic de la variant Y115W de la RNasa A. L'estat de transició sembla interaccionar fortament amb la capa d'hidratació d'aquest estat, tal i com indiquen els resultats en presència de glicerol.

A healable supramolecular polymer blend based on aromatic π-π stacking and hydrogen bonding interactions

An elastomeric, supramolecular healable polymer blend, comprising a chain-folding polyimide and a telechelic polyurethane with pyrenyl endgroups, is compatibilised by aromatic π−π stacking between the π-electron-deficient diimide groups and the π-electron-rich pyrenyl units. This inter-polymer interaction is key to forming a tough, healable, elastomeric material. Variable temperature FTIR analysis of the bulk material also conclusively demonstrates the presence of hydrogen bonding, which complements the π–π stacking interactions. Variable temperature SAXS analysis shows that the healable polymeric blend has a nanophase-separated morphology, and that the X-ray contrast between the two types of domain increases with increasing temperature, a feature that is repeatable over several heating and cooling cycles. A fractured sample of this material reproducibly regains more than 95% of the tensile modulus, 91% of the elongation to break, and 77% of the modulus of toughness of the pristine material.

Sequence-selective assembly of tweezer-molecules on linear templates enables frameshift-reading of sequence information

Monomer-sequence information in synthetic copolyimides can be recognised by tweezer-type molecules binding to adjacent triplet-sequences on the polymer chains. In the present paper different tweezer-molecules are found to have different sequence-selectivities, as demonstrated in solution by 1H NMR spectroscopy and in the solid state by single crystal X-ray analyses of tweezer-complexes with linear and macrocyclic oligo-imides. This work provides clear-cut confirmation of polyimide chain-folding and adjacent-tweezer-binding. It also reveals a new and entirely unexpected mechanism for sequence-recognition which, by analogy with a related process in biomolecular information processing, may be termed "frameshift-reading". The ability of one particular tweezer-molecule to detect, with exceptionally high sensitivity, long-range sequence-information in chain-folding aromatic copolyimides, is readily explained by this novel process.

Caf1A usher possesses a Caf1 subunit-like domain that is crucial for Caf1 fibre secretion

The chaperone/usher pathway controls assembly of fibres of adhesive organelles of Gram-negative bacteria. The final steps of fibre assembly and fibre translocation to the cell surface are co-ordinated by the outer membrane proteins, ushers. Ushers consist of several soluble periplasmic domains and a single transmembrane beta-barrel. Here we report isolation and structural/functional characterization of a novel middle domain of the Caf1A usher from Yersinia pestis. The isolated UMD (usher middle domain) is a highly soluble monomeric protein capable of autonomous folding. A 2.8 angstrom (1 angstrom = 0.1 nm) resolution crystal structure of UMD revealed that this domain has an immunoglobulin-like fold similar to that of donor-strand-complemented Caf1 fibre subunit. Moreover, these proteins displayed significant structural similarity. Although UMD is in the middle of the predicted amphipathic beta-barrel of Caf1A, the usher still assembled in the membrane in the absence of this domain. UMD did not bind Caf1M-Caf1 complexes, but its presence was shown to be essential for Caf1 fibre secretion. The study suggests that UMD may play the role of a subunit-substituting protein (dummy subunit), plugging or priming secretion through the channel in the Caf1A usher. Comparison of isolated UMD with the recent strcture of the corresponding domain of PapC usher revealed high similarity of the core structures, suggesting a universal structural adaptation of FGL (F(1)G(1) long) and FGS (F(1)G(1) short) chaperone/usher pathways for the secretion of different types of fibres. The functional role of two topologically different states of this plug domain suggested by structural and biochemical results is discussed.

Display of a Maize cDNA library on baculovirus infected insect cells

Background: Maize is a good model system for cereal crop genetics and development because of its rich genetic heritage and well-characterized morphology. The sequencing of its genome is well advanced, and new technologies for efficient proteomic analysis are needed. Baculovirus expression systems have been used for the last twenty years to express in insect cells a wide variety of eukaryotic proteins that require complex folding or extensive posttranslational modification. More recently, baculovirus display technologies based on the expression of foreign sequences on the surface of Autographa californica ( AcMNPV) have been developed. We investigated the potential of a display methodology for a cDNA library of maize young seedlings. Results: We constructed a full-length cDNA library of young maize etiolated seedlings in the transfer vector pAcTMVSVG. The library contained a total of 2.5 x 10(5) independent clones. Expression of two known maize proteins, calreticulin and auxin binding protein (ABPI), was shown by western blot analysis of protein extracts from insect cells infected with the cDNA library. Display of the two proteins in infected insect cells was shown by selective biopanning using magnetic cell sorting and demonstrated proof of concept that the baculovirus maize cDNA display library could be used to identify and isolate proteins. Conclusion: The maize cDNA library constructed in this study relies on the novel technology of baculovirus display and is unique in currently published cDNA libraries. Produced to demonstrate proof of principle, it opens the way for the development of a eukaryotic in vivo display tool which would be ideally suited for rapid screening of the maize proteome for binding partners, such as proteins involved in hormone regulation or defence.

Immunogenicity of the outer domain of a HIV-1 clade C gp120

Background: The possibility that a sub domain of a C clade HIV-1 gp120 could act as an effective immunogen was investigated. To do this, the outer domain ( OD) of gp120(CN54) was expressed and characterized in a construct marked by a re-introduced conformational epitope for MAb 2G12. The expressed sequence showed efficient epitope retention on the isolated ODCN54 suggesting authentic folding. To facilitate purification and subsequent immunogenicity ODCN54 was fused to the Fc domain of human IgGl. Mice were immunised with the resulting fusion proteins and also with gp120(CN54)-Fc and gp120 alone. Results: Fusion to Fc was found to stimulate antibody titre and Fc tagged ODCN54 was substantially more immunogenic than non-tagged gp120. Immunogenicity appeared the result of Fc facilitated antigen processing as immunisation with an Fc domain mutant that reduced binding to the FcR lead to a reduction in antibody titre when compared to the parental sequence. The breadth of the antibody response was assessed by serum reaction with five overlapping fragments of gp120(CN54) expressed as GST fusion proteins in bacteria. A predominant anti-inner domain and anti-V3C3 response was observed following immunisation with gp120(CN54)-Fc and an anti-V3C3 response to the ODCN54-Fc fusion. Conclusion: The outer domain of gp120(CN54) is correctly folded following expression as a C terminal fusion protein. Immunogenicity is substantial when targeted to antigen presenting cells but shows V3 dominance in the polyvalent response. The gp120 outer domain has potential as a candidate vaccine component.

Proteomic analysis of redox- and ErbB2-dependent changes in mammary luminal epithelial cells using cysteine- and lysine-labelling two-dimensional difference gel electrophoresis

Differential protein expression analysis based on modification of selected amino acids with labelling reagents has become the major method of choice for quantitative proteomics. One such methodology, two-dimensional difference gel electrophoresis (2-D DIGE), uses a matched set of fluorescent N-hydroxysuccinimidyl (NHS) ester cyanine dyes to label lysine residues in different samples which can be run simultaneously on the same gels. Here we report the use of iodoacetylated cyanine (ICy) dyes (for labelling of cysteine thiols, for 2-D DIGE-based redox proteomics. Characterisation of ICy dye labelling in relation to its stoichiometry, sensitivity and specificity is described, as well as comparison of ICy dye with NHS-Cy dye labelling and several protein staining methods. We have optimised conditions for labelling of nonreduced, denatured samples and report increased sensitivity for a subset of thiol-containing proteins, allowing accurate monitoring of redox-dependent thiol modifications and expression changes. Cysteine labelling was then combined with lysine labelling in a multiplex 2-D DIGE proteomic study of redox-dependent and ErbB2-dependent changes in epithelial cells exposed to oxidative stress. This study identifies differentially modified proteins involved in cellular redox regulation, protein folding, proliferative suppression, glycolysis and cytoskeletal organisation, revealing the complexity of the response to oxidative stress and the impact that overexpression of ErbB2 has on this response.

A role for the thiol isomerase. protein ERP5 in platelet function

Formation and rearrangement of disulfide bonds during the correct folding of nascent proteins is modulated by a family of enzymes known as thiol isomerases, which include protein disulfide isomerase (PDI), endoplasmic reticulum protein 5 (ERP5), and ERP57. Recent evidence supports an alternative role for this family of proteins on the surface of cells, where they are involved in receptor 'remodeling and recognition. In platelets, blocking PDI with inhibitory antibodies inhibits a number of platelet activation pathways, including aggregation, secretion, and fibrinogen binding. Analysis of human platelet membrane fractions identified the presence of the thiol isomerase protein ERP5. Further study showed that ERP5 is resident mainly on platelet intracellular membranes, although it is rapidly recruited to the cell, surface in response to a range of platelet agonists. Blocking cell-surface ERP5 using inhibitory antibodies leads to a decrease in platelet aggregation in response to agonists, and a decrease in fibrinogen binding and P-selectin exposure. It is Possible that this is based on the disruption of integrin function, as we observed that ERP5 becomes physically associated with the integrin beta(3) subunit during platelet stimulation. These results provide new insights into the involvement of thiol isomerases and regulation of platelet activation. (C) 2005 by The American Society of Hematology.

Resolving the energy paradox of chaperone/usher-mediated fibre assembly

Periplasmic chaperone/usher machineries are used for assembly of filamentous adhesion organelles of Gram-negative pathogens in a process that has been suggested to be driven by folding energy. Structures of mutant chaperone-subunit complexes revealed a final folding transition (condensation of the subunit hydrophobic core) on the release of organelle subunit from the chaperone-subunit pre-assembly complex and incorporation into the final fibre structure. However, in view of the large interface between chaperone and subunit in the pre-assembly complex and the reported stability of this complex, it is difficult to understand how final folding could release sufficient energy to drive assembly. In the present paper, we show the X-ray structure for a native chaperone-fibre complex that, together with thermodynamic data, shows that the final folding step is indeed an essential component of the assembly process. We show that completion of the hydrophobic core and incorporation into the fibre results in an exceptionally stable module, whereas the chaperone-subunit preassembly complex is greatly destabilized by the high-energy conformation of the bound subunit. This difference in stabilities creates a free energy potential that drives fibre formation.

The development of ISSR-derived SCAR markers around the Seasonal Flowering Locus (SFL) in fragaria vesca

Fragaria vesca is a short-lived perennial with a seasonal-flowering habit. Seasonality of flowering is widespread in the Rosaceae and is also found in the majority of temperate polycarpic perennials. Genetic analysis has shown that seasonal flowering is controlled by a single gene in F. vesca, the SEASONAL FLOWERING LOCUS (SFL). Here, we report progress towards the marker-assisted selection and positional cloning of SFL, in which three ISSR markers linked to SFL were converted to locus-specific sequence-characterized amplified region (SCAR1–SCAR3) markers to allow large-scale screening of mapping progenies. We believe this is the first study describing the development of SCAR markers from ISSR profiles. The work also provides useful insight into the nature of polymorphisms generated by the ISSR marker system. Our results indicate that the ISSR polymorphisms originally detected were probably caused by point mutations in the positions targeted by primer anchors (causing differential PCR failure), by indels within the amplicon (leading to variation in amplicon size) and by internal sequence differences (leading to variation in DNA folding and so in band mobility). The cause of the original ISSR polymorphism was important in the selection of appropriate strategies for SCAR-marker development. The SCAR markers produced were mapped using a F. vesca f. vesca × F. vesca f. semperflorens testcross population. Marker SCAR2 was inseparable from the SFL, whereas SCAR1 mapped 3.0 cM to the north of the gene and SCAR3 1.7 cM to its south.

A novel self-healing supramolecular polymer system

Utilising supramolecular pi-pi stacking interactions to drive miscibility in two-component polymer blends offers a novel approach to producing materials with unique properties. We report in this paper the preparation of a supramolecular polymer network that exploits this principle. A low molecular weight polydiimide which contains multiple pi-electron-poor receptor sites along its backbone forms homogeneous films with a siloxane polymer that features pi-electron-rich pyrenyl end-groups. Compatibility results from a complexation process that involves chain-folding of the polydiimide to create an optimum binding site for the pi-electron-rich chain ends of the polysiloxane. These complementary pi-electron-rich and -poor receptors exhibit rapid and reversible complexation behaviour in solution, and healable characteristics in the solid state in response to temperature. A mechanism is proposed for this thermoreversible healing behaviour that involves disruption of the intermolecular pi-pi stacking cross-links as the temperature of the supramolecular film is increased. The low T-g siloxane component can then flow and as the temperature of the blend is decreased, pi-pi stacking interactions drive formation of a new network and so lead to good damage-recovery characteristics of the two-component blend.

Proteomic analysis of redox- and ErbB2-dependent changes in mammary luminal epithelial cells using cysteine- and lysine-labelling two-dimensional difference gel electrophoresis

Differential protein expression analysis based on modification of selected amino acids with labelling reagents has become the major method of choice for quantitative proteomics. One such methodology, two-dimensional difference gel electrophoresis (2-D DIGE), uses a matched set of fluorescent N-hydroxysuccinimidyl (NHS) ester cyanine dyes to label lysine residues in different samples which can be run simultaneously on the same gels. Here we report the use of iodoacetylated cyanine (ICy) dyes (for labelling of cysteine thiols, for 2-D DIGE-based redox proteomics. Characterisation of ICy dye labelling in relation to its stoichiometry, sensitivity and specificity is described, as well as comparison of ICy dye with NHS-Cy dye labelling and several protein staining methods. We have optimised conditions for labelling of nonreduced, denatured samples and report increased sensitivity for a subset of thiol-containing proteins, allowing accurate monitoring of redox-dependent thiol modifications and expression changes, Cysteine labelling was then combined with lysine labelling in a multiplex 2-D DIGE proteomic study of redox-dependent and ErbB2-dependent changes in epithelial cells exposed to oxidative stress. This study identifies differentially modified proteins involved in cellular redox regulation, protein folding, proliferative suppression, glycolysis and cytoskeletal organisation, revealing the complexity of the response to oxidative stress and the impact that overexpression of ErbB2 has on this response.