In silico analysis identifies a C3HC4-RING finger domain of a putative E3 ubiquitin-protein ligase located at the C-terminus of a polyglutamine-containing protein

Almost identical polyglutamine-containing proteins with unknown structures have been found in human, mouse and rat genomes (GenBank AJ277365, AF525300, AY879229). We infer that an identical new gene (RING) finger domain of real interest is located in each C-terminal segment. A three-dimensional (3-D) model was generated by remote homology modeling and the functional implications are discussed. The model consists of 65 residues from terminal position 707 to 772 of the human protein with a total length of 796 residues. The 3-D model predicts a ubiquitin-protein ligase (E3) as a binding site for ubiquitin-conjugating enzyme (E2). Both enzymes are part of the ubiquitin pathway to label unwanted proteins for subsequent enzymatic degradation. The molecular contact specificities are suggested for both the substrate recognition and the residues at the possible E2-binding surface. The predicted structure, of a ubiquitin-protein ligase (E3, enzyme class number 6.3.2.19, CATH code 3.30.40.10.4) may contribute to explain the process of ubiquitination. The 3-D model supports the idea of a C3HC4-RING finger with a partially new pattern. The putative E2-binding site is formed by a shallow hydrophobic groove on the surface adjacent to the helix and one zinc finger (L722, C739, P740, P741, R744). Solvent-exposed hydrophobic amino acids lie around both zinc fingers (I717, L722, F738, or P765, L766, V767, V733, P734). The 3-D structure was deposited in the protein databank theoretical model repository (2B9G, RCSB Protein Data Bank, NJ).

Transcriptional regulation of bidirectional gene pairs by 17-β-estradiol in MCF-7 breast cancer cells

Using cDNA microarray analysis, we previously identified a set of differentially expressed genes in primary breast tumors based on the status of estrogen and progesterone receptors. In the present study, we performed an integrated computer-assisted and manual search of potential estrogen response element (ERE) binding sites in the promoter region of these genes to characterize their potential to be regulated by estrogen receptors (ER). Publicly available databases were used to annotate the position of these genes in the genome and to extract a 5’flanking region 2 kb upstream to 2 kb downstream of the transcription start site for transcription binding site analysis. The search for EREs and other binding sites was performed using several publicly available programs. Overall, approximately 40% of the genes analyzed were potentially able to be regulated by estrogen via ER. In addition, 17% of these genes are located very close to other genes organized in a head-to-head orientation with less than 1.0 kb between their transcript units, sharing a bidirectional promoter, and could be classified as bidirectional gene pairs. Using quantitative real-time PCR, we further investigated the effects of 17β-estradiol and antiestrogens on the expression of the bidirectional gene pairs in MCF-7 breast cancer cells. Our results showed that some of these gene pairs, such as TXNDC9/EIF5B, GALNS/TRAPPC2L, and SERINC1/PKIB, are modulated by 17β-estradiol via ER in MCF-7 breast cancer cells. Here, we also characterize the promoter region of potential ER-regulated genes and provide new information on the transcriptional regulation of bidirectional gene pairs.

Modeling of allergen proteins found in sea food products

Shellfish are a source of food allergens, and their consumption is the cause of severe allergic reactions in humans. Tropomyosins, a family of muscle proteins, have been identified as the major allergens in shellfish and mollusks species. Nevertheless, few experimentally determined three-dimensional structures are available in the Protein Data Base (PDB). In this study, 3D models of several homologous of tropomyosins present in marine shellfish and mollusk species (Chaf 1, Met e1, Hom a1, Per v1, and Pen a1) were constructed, validated, and their immunoglobulin E binding epitopes were identified using bioinformatics tools. All protein models for these allergens consisted of long alpha-helices. Chaf 1, Met e1, and Hom a1 had six conserved regions with sequence similarities to known epitopes, whereas Per v1 and Pen a1 contained only one. Lipophilic potentials of identified epitopes revealed a high propensity of hydrophobic amino acids in the immunoglobulin E binding site. This information could be useful to design tropomyosin-specific immunotherapy for sea food allergies.

VAP-1 as drug target in inflammation : structural features determining ligand interactions

Vascular adhesion protein-1 (VAP-1), which belongs to the copper amine oxidases (CAOs), is a validated drug target in inflammatory diseases. Inhibition of VAP-1 blocks the leukocyte trafficking to sites of inflammation and alleviates inflammatory reactions. In this study, a novel set of potent pyridazinone inhibitors is presented together with their X-ray structure complexes with VAP-1. The crystal structure of serum VAP-1 (sVAP-1) revealed an imidazole binding site in the active site channel and, analogously, the pyridazinone inhibitors were designed to bind into the channel. This is the first time human VAP-1 has been crystallized with a reversible inhibitor and the structures reveal detailed information of the binding mode on the atomic level. Similarly to some earlier studied inhibitors of human VAP-1, the designed pyridazinone inhibitors bind rodent VAP-1 with a lower affinity than human VAP-1. Therefore, we made homology models of rodent VAP-1 and compared human and rodent enzymes to determine differences that might affect the inhibitor binding. The comparison of the crystal structures of the human VAP-1 and the mouse VAP-1 homology model revealed key differences important for the species specific binding properties. In general, the channel in mouse VAP-1 is more narrow and polar than the channel in human VAP-1, which is wider and more hydrophobic. The differences are located in the channel leading to the active site, as well as, in the entrance to the active site channel. The information obtained from these studies is of great importance for the development and design of drugs blocking the activity of human VAP-1, as rodents are often used for in vivo testing of candidate drugs. In order to gain more insight into the selective binding properties of the different CAOs in one species a comprehensive evolutionary study of mammalian CAOs was performed. We found that CAOs can be classified into sub-families according to the residues X1 and X2 of the Thr/Ser-X1-X2-Asn-Tyr-Asp active site motif. In the phylogenetic tree, CAOs group into diamine oxidase, retina specific amine oxidase and VAP-1/serum amine oxidase clades based on the residue in the position X2. We also found that VAP-1 and SAO can be further differentiated based on the residue in the position X1. This is the first large-scale comparison of CAO sequences, which explains some of the reasons for the unique substrate specificities within the CAO family.

Probing MST1 Kinase Sequence and Structure for Rational Drug Discovery (Targeting diabetes by blocking protein-protein interactions)

Apoptotic beta cell death is an underlying cause majorly for type I and to a lesser extent for type II diabetes. Recently, MST1 kinase was identified as a key apoptotic agent in diabetic condition. In this study, I have examined MST1 and closely related kinases namely, MST2, MST3 and MST4, aiming to tackle diabetes by exploring ways to selectively block MST1 kinase activity. The first investigation was directed towards evaluating possibilities of selectively blocking the ATP binding site of MST1 kinase that is essential for the activity of the enzymes. Structure and sequence analyses of this site however revealed a near absolute conservation between the MSTs and very few changes with other kinases. The observed residue variations also displayed similar physicochemical properties making it hard for selective inhibition of the enzyme. Second, possibilities for allosteric inhibition of the enzyme were evaluated. Analysis of the recognized allosteric site also posed the same problem as the MSTs shared almost all of the same residues. The third analysis was made on the SARAH domain, which is required for the dimerization and activation of MST1 and MST2 kinases. MST3 and MST4 lack this domain, hence selectivity against these two kinases can be achieved. Other proteins with SARAH domains such as the RASSF proteins were also examined. Their interaction with the MST1 SARAH domain were evaluated to mimic their binding pattern and design a peptide inhibitor that interferes with MST1 SARAH dimerization. In molecular simulations the RASSF5 SARAH domain was shown to strongly interact with the MST1 SARAH domain and possibly preventing MST1 SARAH dimerization. Based on this, the peptidic inhibitor was suggested to be based on the sequence of RASSF5 SARAH domain. Since the MST2 kinase also interacts with RASSF5 SARAH domain, absolute selectivity might not be achieved.

Investigation of single tryptophan proteins encapsulated in TEOS-derived sol-gel matrices by fluorescence spectroscopy /

In the work reported here, optically clear, ultrathin TEOS derived sol-gel slides which were suitable for studies of tryptophan (Trp) fluorescence from entrapped proteins were prepared by the sol-gel technique and characterized. The monitoring of intrinsic protein fluorescence provided information about the structure and environment of the entrapped protein, and about the kinetics of the interaction between the entrapped protein and extemal reagents. Initial studies concentrated on the single Trp protein monellin which was entrapped into the sol-gel matrices. Two types of sol-gel slides, termed "wet aged", in which the gels were aged in buffer and "dry-aged", in which the gels were aged in air , were studied in order to compare the effect of the sol-gel matrix on the structure of the protein at different aging stages. Fluorescence results suggested that the mobility of solvent inside the slides was substantially reduced. The interaction of the entrapped protein with both neutral and charged species was examined and indicated response times on the order of minutes. In the case of the neutral species the kinetics were diffusion limited in solution, but were best described by a sum of first order rate constants when the reactions occurred in the glass matrix. For charged species, interactions between the analytes and the negatively charged glass matrix caused the reaction kinetics to become complex, with the overall reaction rate depending on both the type of aging and the charge on the analyte. The stability and conformational flexibility of the entrapped monellin were also studied. These studies indicated that the encapsulation of monellin into dry-aged monoliths caused the thermal unfolding transition to broaden and shift upward by 14°C, and causedthe long-term stability to improve by 12-fold (compared to solution). Chemical stability studies also showed a broader transition for the unfolding of the protein in dry-aged monoliths, and suggested that the protein was present in a distribution of environments. Results indicated that the entrapped proteins had a smaller range of conformational motions compared to proteins in solution, and that entrapped proteins were not able to unfold completely. The restriction of conformational motion, along with the increased structural order of the internal environment of the gels, likely resulted in the improvements in themial and long-term stability that were observed. A second protein which was also studied in this work is the metal binding protein rat oncomodulin. Initially, the unfolding behavior of this protein in aqueous solution was examined. Several single tryptophan mutants of the metal-binding protein rat oncomodulin (OM) were examined; F102W, Y57W, Y65W and the engineered protein CDOM33 which had all 12 residues of the CD loop replaced with a higher affinity binding loop. Both the thermal and the chemical stability were improved upon binding of metal ions with the order apo < Ca^^ < Tb^"^. During thermal denaturation, the transition midpoints (Tun) of Y65W appeared to be the lowest, followed by Y57W and F102W. The placement of the Trp residue in the F-helix in F102W apparently made the protein slightly more thermostable, although the fluorescence response was readily affected by chemical denaturants, which probably acted through the disruption of hydrogen bonds at the Cterminal end of the F-helix. Under both thermal and chemical denaturation, the engineered protein showed the highest stability. This indicated that increasing the number of metal ligating oxygens in the binding site, either by using a metal ion with a higher coordinatenumber (i.e. Tb^*) which binds more carboxylate ligands, or by providing more ligating groups, as in the CDOM33 replacement, produces notable improvements in protein stability. Y57W and CE)OM33 OM were chosen for further studies when encapsulated into sol-gel derived matrices. The kinetics of interaction of terbium with the entrapped proteins, the ability of the entrapped protein to binding terbium, as well as thermal stability of these two entrapped protein were compared with different levels of Ca^"*^ present in the matrix and in solution. Results suggested that for both of the proteins, the response time and the ability to bind terbium could be adjusted by adding excess calcium to the matrix before gelation. However, the less stable protein Y57W only retained at most 45% of its binding ability in solution while the more stable protein CDOM33 was able to retain 100% binding ability. Themially induced denaturation also suggested that CDOM33 showed similar stability to the protein in solution while Y57W was destabilized. All these results suggested that "hard" proteins (i.e. very stable) can easily survive the sol-gel encapsulation process, but "soft" proteins with lower thermodynamic stability may not be able to withstand the sol-gel process. However, it is possible to control many parameters in order to successfully entrap biological molecules into the sol-gel matrices with maxunum retention of activity.

Reactivity characteristics of cytochrome c, cytochrome oxidase and the electrostatic cytochrome c - cytochrome oxidase complex /

The mechanism whereby cytochrome £ oxidase catalyses elec-. tron transfer from cytochrome £ to oxygen remains an unsolved problem. Polarographic and spectrophotometric activity measurements of purified, particulate and soluble forms of beef heart mitochondrial cytochrome c oxidase presented in this thesis confirm the following characteristics of the steady-state kinetics with respect to cytochrome £: (1) oxidation of ferrocytochrome c is first order under all conditions. -(2) The relationship between sustrate concentration and velocity is of the Michaelis-Menten type over a limited range of substrate. concentrations at high ionic strength. (3) ~he reaction rate is independent from oxygen concentration until very low levels of oxygen. (4) "Biphasic" kinetic plots of enzyme activity as a function of substrate concentration are found when the range of cytochrome c concentrations is extended; the biphasicity ~ is more apparent in low ionic strength buffer. These results imply two binding sites for cytochrome £ on the oxidase; one of high affinity and one of low affinity with Km values of 1.0 pM and 3.0 pM, respectively, under low ionic strength conditions. (5) Inhibition of the enzymic rate by azide is non-c~mpetitive with respect to cytochrome £ under all conditions indicating an internal electron transfer step, and not binding or dissociation of £ from the enzyme is rate limiting. The "tight" binding of cytochrome '£ to cytochrome c oxidase is confirmed in column chromatographic experiments. The complex has a cytochrome £:oxidase ratio of 1.0 and is dissociated in media of high ionic strength. Stopped-flow spectrophotometric studies of the reduction of equimolar mixtures and complexes of cytochrome c and the oxidase were initiated in an attempt to assess the functional relevance of such a complex. Two alternative routes -for reduction of the oxidase, under conditions where the predominant species is the £ - aa3 complex, are postulated; (i) electron transfer via tightly bound cytochrome £, (ii) electron transfer via a small population of free cytochrome c interacting at the "loose" binding site implied from kinetic studies. It is impossible to conclude, based on the results obtained, which path is responsible for the reduction of cytochrome a. The rate of reduction by various reductants of free cytochrome £ in high and low ionic strength and of cytochrome £ electrostatically bound to cytochrome oxidase was investigated. Ascorbate, a negatively charged reagent, reduces free cytochrome £ with a rate constant dependent on ionic strength, whereas neutral reagents TMPD and DAD were relatively unaffected by ionic strength in their reduction of cytochrome c. The zwitterion cysteine behaved similarly to uncharged reductants DAD and TI~PD in exhibiting only a marginal response to ionic strength. Ascorbate reduces bound cytochrome £ only slowly, but DAD and TMPD reduce bound cytochrome £ rapidly. Reduction of cytochrome £ by DAD and TMPD in the £ - aa3 complex was enhanced lO-fold over DAD reduction of free £ and 4-fold over TMPD reduction of free c. Thus, the importance of ionic strength on the reactivity of cytochrome £ was observed with the general conclusion being that on the cytochrome £ molecule areas for anion (ie. phosphate) binding, ascorbate reduction and complexation to the oxidase overlap. The increased reducibility for bound cytochrome £ by reductants DAD and TMPD supports a suggested conformational change of electrostatically bound c compare.d to free .£. In addition, analysis of electron distribution between cytochromes £ and a in the complex suggest that the midpotential of cytochrome ~ changes with the redox state of the oxidase. Such evidence supports models of the oxidase which suggest interactions within the enzyme (or c - enzyme complex) result in altered midpoint potentials of the redox centers.

Comparative study of bovine heart and bacillus subtilis cytochrome c oxidase vesicles and the influence of bulk pH on cytochrome c oxidase components

Studies on the steady state behavior of soluble cytochrome c oxidase are extensive. These studies have examined the influence of ionic strength and pH and may provide answers to questions such as the link between proton translocation and charge separation. The present study examined the influence of external bulk pH on ApH formation, biphasic kinetics, and steady state reduction of cytochromes c and a of cytochrome c oxidase in proteoliposomes. Bulk pH has an appreciable effect on ApH formation and steady state reduction levels of cytochromes c and 8. Bulk pH affected total Vmax and Km at the low affinity binding site of cytochrome c. This study also examined the influence of bovine serum albumin and free fatty acids on proton pumping activity in bovine heart proteoliposomes. Proton pumping activity decreased after treatment with BSA, and was subsequently reinstated after further treatment with FFA. Much study in the superfamily of haem/copper oxidases has recently been devoted to the bacterial oxidases. The present study has examined some protein composition characteristics and bioenergetic features of Bacillus subtilis cytochrome caa3 oxidase. Results provide evidence for the structural composition of the enzyme in relation to the covalently bound cytochrome c to the oxidas~. Bioenergetically, caa3 COV showed appreciable proton pumping activity. Steady state analysis of the caa3 COV showed significantly different cytochrome c and a reduction characteristics compared to the bovine enzyme.

Electron Transfer Involving the Phylloquinone (A1) Cofactor of Photosystem I Examined with Time Resolved Absorbance and Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopy

The dependence of the electron transfer (ET) rate on the Photosystem I (PSI) cofactor phylloquinone (A1) is studied by time-resolved absorbance and electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy. Two active branches (A and B) of electron transfer converge to the FX cofactor from the A1A and A1B quinone. The work described in Chapter 5 investigates the single hydrogen bond from the amino acid residue PsaA-L722 backbone nitrogen to A1A for its effect on the electron transfer rate to FX. Room temperature transient EPR measurements show an increase in the rate for the A1A- to FX for the PsaA-L722T mutant and an increased hyperfine coupling to the 2-methyl group of A1A when compared to wild type. The Arrhenius plot of the A1A- to FX ET in the PsaA-L722T mutant suggests that the increased rate is probably the result of a slight change in the electronic coupling between A1A- and FX. The reasons for the non-Arrhenius behavior are discussed. The work discussed in Chapter 6 investigates the directionality of ET at low temperature by blocking ET to the iron-sulfur clusters FX, FA and FB in the menB deletion mutant strain of Synechocyctis sp. PCC 6803, which is unable to synthesize phylloquinone, by incorporating the high midpoint potential (49 mV vs SHE) 2,3-dichloro-1,4-naphthoquinone (Cl2NQ) into the A1A and A1B binding sites. Various EPR spectroscopic techniques were implemented to differentiate between the spectral features created from A and B- branch electron transfer. The implications of this result for the directionality of electron transfer in PS I are discussed. The work discussed in Chapter 7 was done to study the dependence of the heterogeneous ET at low temperature on A1 midpoint potential. The menB PSI mutant contains plastiquinone-9 in the A1 binding site. The solution midpoint potential of the quinone measures 100 mV more positive then wild-type phylloquinone. The irreversible ET to the terminal acceptors FA and FB at low temperature is not controlled by the forward step from A1 to FX as expected due to the thermodynamic differences of the A1 cofactor in the two active branches A and B. Alternatives for the ET heterogeneity are discussed.

Régulation de l'activité transcriptionnelle de PPARgamma via l'activation des récepteurs CD36 et GHS-R1a : potentiel anti-athérosclérotique

Les sécrétines peptidiques de l’hormone de croissance (GHRPs) constituent une classe de peptides synthétiques capables de stimuler la sécrétion de l’hormone de croissance (GH). Cette activité est médiée par leur liaison à un récepteur couplé aux protéines G : le récepteur des sécrétines de l’hormone de croissance (GHS-R1a), identifié subséquemment comme le récepteur de la ghréline. La ghréline est un peptide de 28 acides aminés sécrété principalement par les cellules de la muqueuse de l’estomac, qui exerce de nombreux effets périphériques indépendamment de la sécrétion de l’hormone de croissance. Les effets indépendants de la sécrétion de GH incluent, entre autres, des actions sur le contrôle de la prise de nourriture, le métabolisme énergétique, la fonction cardiaque, le système immunitaire et la prolifération cellulaire. L’étude de la distribution périphérique des sites de liaison des GHRPs nous a permis d’identifier un second site, le CD36, un récepteur scavenger exprimé dans plusieurs tissus dont le myocarde, l’endothélium de la microvasculature et les monocytes/macrophages. Le CD36 exprimé à la surface du macrophage joue un rôle clé dans l’initiation du développement de l’athérosclérose par la liaison et l’internalisation des lipoprotéines de faible densité oxydées (LDLox) dans l’espace sous-endothélial de l’artère. L’hexaréline, un analogue GHRP, a été développé comme agent thérapeutique pour stimuler la sécrétion de l’hormone de croissance par l’hypophyse. Sa propriété de liaison aux récepteurs GHS-R1a et CD36 situés en périphérie et particulièrement sa capacité d’interférer avec la liaison des LDLox par le CD36 nous ont incité à évaluer la capacité de l’hexaréline à moduler le métabolisme lipidique du macrophage. L’objectif principal de ce projet a été de déterminer les effets de l’activation des récepteurs CD36 et GHS-R1a, par l’hexaréline et la ghréline, le ligand endogène du GHS-R1a, sur la physiologie du macrophage et de déterminer son potentiel anti-athérosclérotique. Les résultats montrent premièrement que l’hexaréline et la ghréline augmentent l’expression des transporteurs ABCA1 et ABCG1, impliqués dans le transport inverse du cholestérol, via un mécanisme contrôlé par le récepteur nucléaire PPARγ. La régulation de l’activité transcriptionnelle de PPARγ par l’activation des récepteurs CD36 et GHS-R1a se fait indépendamment de la présence du domaine de liaison du ligand (LBD) de PPARγ et est conséquente de changements dans l’état de phosphorylation de PPARγ. Une étude plus approfondie de la signalisation résultant de la liaison de la ghréline sur le GHS-R1a révèle que PPARγ est activé par un mécanisme de concertation entre les voies de signalisation Gαq/PI3-K/Akt et Fyn/Dok-1/ERK au niveau du macrophage. Le rôle de PPARγ dans la régulation du métabolisme lipidique par l’hexaréline a été démontré par l’utilisation de macrophages de souris hétérozygotes pour le gène de Ppar gamma, qui présentent une forte diminution de l’activation des gènes de la cascade métabolique PPARγ-LXRα-transporteurs ABC en réponse à l’hexaréline. L’injection quotidienne d’hexaréline à un modèle de souris prédisposées au développement de l’athérosclérose, les souris déficientes en apoE sous une diète riche en cholestérol et en lipides, se traduit également en une diminution significative de la présence de lésions athérosclérotiques correspondant à une augmentation de l’expression des gènes cibles de PPARγ et LXRα dans les macrophages péritonéaux provenant des animaux traités à l’hexaréline. L’ensemble des résultats obtenus dans cette thèse identifie certains nouveaux mécanismes impliqués dans la régulation de PPARγ et du métabolisme du cholestérol dans le macrophage via les récepteurs CD36 et GHS-R1a. Ils pourraient servir de cibles thérapeutiques dans une perspective de traitement des maladies cardiovasculaires.

Rôle de la molécule CD47 sur le lymphocyte T dans la régulation de la réponse immunitaire

L’importance respective des lymphocytes T régulateurs naturels générés dans le thymus ou induits en périphérie dans la régulation immunitaire et la résolution de l’inflammation est désormais bien établie. Nous avons contribué à mettre en évidence une nouvelle voie d’induction de lymphocytes T régulateurs périphériques à partir de cellules T humaines CD4+CD25- naïves et mémoires. Nous avons montré que l’engagement de la molécule ubiquitaire transmembranaire CD47 sur la cellule T par un anticorps monoclonal ou par le peptide 4N1K (peptide dérivé du domaine carboxy-terminal de la thrombospondine-1 et spécifique du site de liaison à CD47) induisait des lymphocytes T CD4+ régulateurs exerçant une fonction suppressive sur les lymphocytes T effecteurs. Les propriétés suppressives induites par la thrombospondine-1 confortent les fonctions anti-inflammatoires de cette protéine de la matrice extracellulaire. L’inhibition exercée par les lymphocytes T régulateurs induits dépend du contact intercellulaire entre les cellules T régulatrices et leurs cibles, et est indépendante du TGF-. Nos résultats démontrent également le rôle de CD47 sur le lymphocyte T CD4+ dans la réponse immunitaire spécifique de l’antigène in vivo. En effet, les souris BALB/c déficientes pour CD47 présentent un biais de la sécrétion d’anticorps et de cytokines de type Th1, alors que les souris BALB/c sont décrites comme exprimant un profil de production de cytokines de type Th2. Nos travaux mettent en évidence le rôle de CD47 dans l’inhibition du développement d’une réponse cellulaire et humorale de type Th1 in vivo, confirmant de précédentes études in vitro réalisées avec des cellules T CD4+ humaines. Nous présentons également le rôle inhibiteur de l’engagement de CD28 in vitro sur la différenciation en cellules Th17 des lymphocytes T CD4+ naïfs isolés de souris BALB/c. Le mécanisme proposé est dépendant de la production de l’IL-2 et de l’IFN- et indépendant de la présence de lymphocytes T régulateurs. Notre étude du rôle de deux molécules transmembranaires CD47 et CD28 exprimées sur la cellule T CD4+, contribue à une meilleure connaissance des mécanismes impliqués dans la tolérance immunologique, la résolution de l’inflammation et la différenciation des cellules T "helper" CD4+.

Étude moléculaire des mécanismes d’action de potentiateurs du canal CFTR sur le canal KCa3.1

Les cellules épithéliales des voies aériennes respiratoires sécrètent du Cl- via le canal CFTR. La fibrose kystique est une maladie génétique fatale causée par des mutations de ce canal. La mutation la plus fréquente en Amérique du Nord, ∆F508, met en péril la maturation de la protéine et affecte les mécanismes d’activation du canal. Au cours des dernières années, plusieurs molécules ont été identifiées par criblage à haut débit qui peuvent rétablir l’activation de protéines CFTR mutées. Ces molécules sont nommées potentiateurs. Les canaux K+ basolatéraux, dont KCa3.1, jouent un rôle bien documenté dans l’établissement d’une force électromotrice favorable à la sécrétion de Cl- par CFTR dans les cellules épithéliales des voies aériennes respiratoires. Il a par exemple été démontré que l’application de 1-EBIO, un activateur de KCa3.1, sur des monocouches T84 résulte en une augmentation soutenue de la sécrétion de Cl- et que cette augmentation était réversible suite à l’application de CTX, un inhibiteur de KCa3.1(Devor et al., 1996). Dans le cadre d’une recherche de potentiateurs efficaces en conditions physiologiques et dans un contexte global de transport trans-cellulaire, il devient essentiel de considérer les effets des potentiateurs de CFTR sur KCa3.1. Une caractérisation électrophysiologique par la méthode du patch clamp et structurelle via l’utilisation de canaux modifiés par mutagenèse dirigée de différents potentiateurs de CFTR sur KCa3.1 fut donc entreprise afin de déterminer l’action de ces molécules sur l’activité de KCa3.1 et d’en établir les mécanismes. Nous présentons ici des résultats portant sur les effets sur KCa3.1 de quelques potentiateurs de CFTR possédant différentes structures. Un criblage des effets de ces molécules sur KCa3.1 a révélé que la genisteine, le SF-03, la curcumine et le VRT-532 ont des effets inhibiteurs sur KCa3.1. Nos résultats suggèrent que le SF-03 pourrait agir sur une protéine accessoire et avoir un effet indirect sur KCa3.1. La curcumine aurait aussi une action inhibitrice indirecte, probablement via la membrane cellulaire. Nos recherches sur les effets du VRT-532 ont montré que l’accessibilité au site d’action de cette v molécule est indépendante de l’état d’ouverture de KCa3.1. L’absence d’effets inhibiteurs de VRT-532 sur le mutant constitutivement actif V282G indique que cette molécule pourrait agir via l’interaction CaM-KCa3.1 et nécessiter la présence de Ca2+ pour agir. Par ailleurs, un autre potentiateur de CFTR, le CBIQ, a des effets potentiateurs sur KCa3.1. Nos résultats en canal unitaire indiquent qu’il déstabilise un état fermé du canal. Nos travaux montrent aussi que CBIQ augmente la probabilité d’ouverture de KCa3.1 en conditions sursaturantes de Ca2+, ainsi que son affinité apparente pour le Ca2+. Des expériences où CBIQ est appliqué en présence ou en absence de Ca2+ ont indiqué que l’accessibilité à son site d’action est indépendante de l’état d’ouverture de KCa3.1, mais que la présence de Ca2+ est nécessaire à son action. Ces résultats sont compatibles avec une action de CBIQ déstabilisant un état fermé du canal. Finalement, des expériences en Ba2+ nous ont permis d’investiguer la région du filtre de sélectivité de KCa3.1 lors de l’action de CBIQ et nos résultats pointent vers une action de CBIQ dans cette région. Sur la base de nos résultats nous concluons que CBIQ, un potentiateur de CFTR, aurait un effet activateur sur KCa3.1 via la déstabilisation d’un état fermé du canal à travers une action sur sa ‘gate’ au niveau du filtre de sélectivité. De plus, les potentiateurs de CFTR ayant montré des effets inhibiteurs sur KCa3.1 pourraient agir via la membrane ou via une protéine accessoire du canal ou sur l’interaction CaM-KCa3.1. Dans l’optique de traitements potentiels de la fibrose kystique, nos résultats indiquent que le CBIQ pourrait être un potentiateur efficace pusiqu’il est capable de trimuler à la fois KCa3.1 et CFTR. Par contre, dans les cas du VRT-532 et du SF-03, une inhibition de KCa3.1 pourraient en faire des potentiateurs moins efficaces.

Mécanismes moléculaires d’activation du récepteur A des peptides natriurétiques

Le récepteur A des peptides natriurétiques (NPRA) fait partie de la famille des guanylates cyclases membranaires. L’activation du NPRA par ses agonistes naturels, ANP et BNP, induit une production de GMPc qui est responsable de leur rôle dans l’homéostasie cardiovasculaire, l’inhibition de l’hypertrophie et de la fibrose cardiaques et la régulation de la lipolyse. Le NPRA est un homodimère non covalent composé d’un domaine extracellulaire de liaison du ligand (ECD), d’un unique domaine transmembranaire (TM), d’un domaine d’homologie aux kinases et d’un domaine guanylate cyclase. Bien que le NPRA ait un rôle physiologique important, les mécanismes moléculaires régissant son processus d’activation restent inconnus. Nous avons donc analysé les premières étapes du processus d’activation du NPRA. Nous avons d'abord étudié le rôle de la dimérisation des ECD dans l’activation du récepteur. Nous avons utilisé les techniques de liaison de radioligand, de FRET et de modélisation moléculaire, pour caractériser la liaison à l’ECD des agonistes naturels, d’un superagoniste et d’un antagoniste. L’ANP se lie à un dimère d’ECD préformé et la dimérisation spontanée est l’étape limitante du processus de liaison. De plus, comme le démontrent nos études de FRET, tous les peptides, incluant l’antagoniste, stabilisent le récepteur sous sa forme dimérique. Cependant, l’antagoniste A71915 stabilise le dimère d’ECD dans une conformation différente de celle induite par l’ANP. La dimérisation du NPRA semble donc nécessaire, mais non suffisante à l’activation du récepteur. L’état d’activation du NPRA dépend plutôt de l’orientation des sous unités dans le dimère. Nous avons ensuite étudié le mécanisme moléculaire de transduction du signal à travers la membrane. Plusieurs études ont suggéré que l’activation du NPRA implique un changement de conformation du domaine juxtamembranaire (JM). Cependant, les études de cristallographie de l’ECD soluble de NPRA n’ont pas permis de documenter la structure du JM et le changement de conformation impliqué dans la transduction du signal reste inconnu. Pour analyser ce changement de conformation, nous avons d’abord séquentiellement substitué les neuf acides aminés du JM par une cystéine. En étudiant la capacité des mutants à former des dimères covalents de façon constitutive ou induite par l’ANP, nous avons pu évaluer la proximité relative des résidus du JM, avant et après activation du NPRA. Ces résultats ont démontré la proximité élevée de certains résidus spécifiques et sont en contradiction avec les données cristallographiques. Nous avons également démontré que le domaine intracellulaire impose une contrainte conformationnelle au JM à l’état de base, qui est levée après liaison de l’ANP. En introduisant de 1 à 5 alanines dans l’hélice-α transmembranaire, nous avons montré qu’une rotation des TM de 40° induit une activation constitutive du NPRA. Le signal d’activation pourrait donc être transmis à travers la membrane par un mécanisme de rotation des TM. En utilisant nos données expérimentales, nous avons généré le premier modèle moléculaire illustrant la conformation active du NPRA, où les domaines JM et TM sont représentés. Dans son ensemble, cette étude apporte une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires régissant les premières étapes du processus complexe d’activation du NPRA.

Études structurales d’interactions protéine/protéine impliquées dans l’érythropoïèse

Le développement hématopoïétique est régulé par l’action combinée de facteurs de transcription lignée spécifiques et de la machinerie transcriptionnelle de base, permettant ainsi l’expression de gènes en temps et lieu appropriés. Les travaux présentés dans cette thèse portent sur l’étude structurale et fonctionnelle d’interactions décisives pour la régulation de l’expression de gènes et impliquant des domaines de transactivation (TAD). En effet, les interactions faisant intervenir les TAD d’activateurs permettent de réguler l’activation de la transcription de façon spécifique. La première étude présentée dans cette thèse relate l'identification et la caractérisation d'une nouvelle interaction entre deux facteurs de transcription : le facteur hématopoïétique GATA-1 et la protéine suppresseur de tumeur p53. En combinant des études in vitro par titrage calorimétrique en condition isotherme (ITC) et par spectroscopie RMN et des études in vivo, nous avons identifié et caractérisé cette nouvelle interaction. Il s'avère que le TAD de p53 et le domaine de liaison à l’ADN de GATA-1 sont les domaines minimaux requis pour la formation de ce complexe. L'inhibition de la voie p53 par GATA-1 s’est avérée être la conséquence majeure de cette interaction, permettant ainsi le maintien en vie des précurseurs érythrocytaires via l’inhibition de l’apoptose. Un deuxième type d’interaction a fait l’objet d’études : l’interaction entre divers TAD et la machinerie transcriptionnelle de base, plus spécifiquement avec le Facteur général de Transcription IIH (TFIIH). La structure des complexes constitués par la sous-unité Tfb1/p62 du facteur TFIIH en interaction avec le TAD viral de VP16 d’une part, et avec le TAD humain du facteur érythrocytaire « Erythroid Krüppel-like factor» (EKLF) d’autre part, ont été résolues par spectroscopie RMN. La structure du complexe Tfb1/VP16 a révélée que le mode de liaison de VP16 à Tfb1 est similaire au mode de liaison du TAD de p53 avec le même partenaire. En effet, les TAD de VP16 et de p53 forment tous deux une hélice α de 9 résidus en interaction avec Tfb1. En dépit de partager avec p53 et VP16 le même site de liaison sur Tfb1/p62, la structure RMN du complexe EKLF/Tfb1 démontre que le mode d’interaction de ce TAD se distingue du mode de liaison canonique des activeurs transcriptionnels. Etonnamment, EKLF adopte un mécanisme de liaison semblable au mécanisme de liaison du facteur général de transcription TFIIEα avec p62, leurs conformations demeurent étendues en interaction avec Tfb1/p62. En se basant sur nos données structurales, nous avons identifié un résidu dans le TAD d'EKLF décisif pour la formation du complexe EKLF/p62 : le Trp73. La mutation de cet acide aminé perturbe son interaction avec Tfb1PH/p62PH et réduit significativement l'activité transcriptionnelle d'EKLF dans les érythrocytes.

Étude de la pharmacologie de ligands du récepteur EP4 de prostaglandine E2

La prostaglandine E2 est une hormone lipidique produite abondamment dans le corps, incluant dans le rein où elle agit localement pour réguler les fonctions rénales. Un couplage à la protéine Gαs menant à une production d’AMPc a classiquement été attribué au récepteur EP4 de PGE2. La signalisation d’EP4 s’est cependant avérée plus complexe et implique aussi un couplage aux protéines sensibles à la PTX Gαi et des effets reliés aux β-arrestines. Il y a maintenant plusieurs exemples de l’activation sélective de voies de signalisation indépendantes par des ligands des récepteurs couplés aux protéines G (RCPG), et ce concept désigné sélectivité fonctionnelle pourrait être exploité dans le développement de nouveaux médicaments plus spécifiques et efficaces. Dans une première étude, la puissance et l’activité intrinsèque d’une série de ligands d’EP4 pour l’activation de Gαs, Gαi et de la ß-arrestine ont été systématiquement déterminées relativement au ligand endogène PGE2. Dans ce but, trois essais de transfert d’énergie de résonance de bioluminescence (BRET) ont été adaptés pour évaluer les différentes voies dans des cellules vivantes. Nos résultats montrent une sélectivité fonctionnelle importante parmi les agonistes évalués et ont une implication pour l’utilisation d’analogues de la PGE2 dans un contexte expérimental et possiblement clinique, puisque leur spectre d’activité diffère de l’agoniste naturel. La méthodologie basée sur le BRET utilisée lors de cette première évaluation systématique d’une série d’agonistes d’EP4 devrait être applicable à l’étude d’autres RCPG. Dans une deuxième étude, des peptides reproduisant des régions juxtamembranaires extracellulaires du récepteur EP4 ont été conçus selon le raisonnement que des peptides ciblant des régions éloignées du site de liaison du ligand naturel ont le potentiel de ne moduler qu’une partie des activités du récepteur. L’insuffisance rénale aiguë est une complication médicale grave caractérisée par un déclin brusque et soutenu de la fonction rénale et pour laquelle il n’y a pas de traitement efficace à l’heure actuelle. Nos résultats montrent que le peptidomimétique dérivé d’EP4 optimisé (THG213.29) améliore significativement les fonctions rénales et les changements histologiques dans une insuffisance rénale aiguë induite par cisplatine ou par occlusion des artères rénales dans des rats Sprague-Dawley. Le THG213.29 ne compétitionnait pas la liaison de la PGE2 à EP4, mais modulait la cinétique de dissociation de la PGE2, suggérant une liaison à un site allostérique d’EP4. Le THG213.29 démontrait une sélectivité fonctionnelle, puisqu’il inhibait partiellement la production d’AMPc induite par EP4 mais n’affectait pas l’activation de Gαi ou le recrutement de la ß-arrestine. Nos résultats indiquent que le THG213.29 représente une nouvelle classe d’agent diurétique possédant les propriétés d’un modulateur allostérique non-compétitif des fonctions du récepteur EP4 pour l’amélioration des fonctions rénales suite à une insuffisance rénale aiguë.