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 the mechanism of transfer of a-tocopherol by the human a-tocopherol transfer protein (H-a-TTP) /

The human a-tocopherol transfer protein (h-a-TTP) is understood to be the entity responsible for the specific retention of a-tocopherol (a-toc) in human tissues over all other forms of vitamin E obtained from the diet. a-Tocopherol is the most biologically active form of vitamin E, and to date has been studied extensively with regard to its antioxidant properties and its role of terminating membrane lipid peroxidation chain reactions. However, information surrounding the distribution of a-tocopherol, specifically its delivery to intracellular membranes by a-TTP, is still unclear and the molecular factors influencing transfer remain elusive. To investigate the mechanism of ligand transfer by the h-a-TTP, a fluorescent analogue of a-toc has been used in the development of a fluorescence resonance energy transfer (FRET) assay. (/?)-2,5,7,8-tetramethyl-2-[9-(7-nitro-benzo[l,2,5]oxdiazol-4-ylamino)-nonyl]- chroman-6-ol (NBD-toc) has allowed for the development of the FRET-based ligand transfer assay. This ligand has been utilized in a series of experiments where changes were made to acceptor lipid membrane concentration and composition, as well as to the ionic strength and viscosity of the buffer medium. Such changes have yielded evidence supporting a collisional mechanism of ligand transfer by a-TTP, and have brought to light a new line of inquiry pertaining to the nature of the forces governing the collisional transfer interaction. Through elucidation of the transfer mechanism type, a deeper understanding of the transfer event and the in vivo fate of a-tocopherol have been obtained. Furthermore, the results presented here allow for a deeper investigation of the forces controlling the collisional protein-membrane interaction and their effect on the transfer of a-toc to membranes. Future investigation in this direction will raise the possibility of a complete understanding of the molecular events surrounding the distribution of a-toc within the cell and to the body's tissues.

The Arabidopsis NPR1 Protein Is a Receptor for the Plant Defense Hormone Salicylic Acid

Systemic Acquired Resistance (SAR) is a type of plant systemic resistance occurring against a broad spectrum of pathogens. It can be activated in response to pathogen infection in the model plant Arabidopsis thaliana and many agriculturally important crops. Upon SAR activation, the infected plant undergoes transcriptional reprogramming, marked by the induction of a battery of defense genes, including Pathogenesis-related (PR) genes. Activation of the PR-1 gene serves as a molecular marker for the deployment of SAR. The accumulation of a defense hormone, salicylic acid (SA) is crucial for the infected plant to mount SAR. Increased cellular levels of SA lead to the downstream activation of the PR-1 gene, triggered by the combined action of the Non-expressor of Pathogenesis-related Gene 1 (NPR1) protein and the TGA II-clade transcription factor (namely TGA2). Despite the importance of SA, its receptor has remained elusive for decades. In this study, we demonstrated that in Arabidopsis the NPR1 protein is a receptor for SA. SA physically binds to the C-terminal transactivation domain of NPR1. The two cysteines (Cys521 and Cys529), which are important for NPR1’s coactivator function, within this transactivation domain are critical for the binding of SA to NPR1. The interaction between SA and NPR1 requires a transition metal, copper, as a cofactor. Our results also suggested a conformational change in NPR1 upon SA binding, releasing the C-terminal transactivation domain from the N-terminal autoinhibitory BTB/POZ domain. These results advance our understanding of the plant immune function, specifically related to the molecular mechanisms underlying SAR. The discovery of NPR1 as a SA receptor enables future chemical screening for small molecules that activate plant immune responses through their interaction with NPR1 or NPR1-like proteins in commercially important plants. This will help in identifying the next generation of non-biocidal pesticides.

Requirements for the selective degradation of CD4 receptor molecules by the human immunodeficiency virus type 1 Vpu protein in the endoplasmic reticulum.

BACKGROUND: HIV-1 Vpu targets newly synthesized CD4 receptor for rapid degradation by a process reminiscent of endoplasmic reticulum (ER)-associated protein degradation (ERAD). Vpu is thought to act as an adaptor protein, connecting CD4 to the ubiquitin (Ub)-proteasome degradative system through an interaction with beta-TrCP, a component of the SCFbeta-TrCP E3 Ub ligase complex. RESULTS: Here, we provide direct evidence indicating that Vpu promotes trans-ubiquitination of CD4 through recruitment of SCFbeta-TrCP in human cells. To examine whether Ub conjugation occurs on the cytosolic tail of CD4, we substituted all four Ub acceptor lysine residues for arginines. Replacement of cytosolic lysine residues reduced but did not prevent Vpu-mediated CD4 degradation and ubiquitination, suggesting that Vpu-mediated CD4 degradation is not entirely dependent on the ubiquitination of cytosolic lysines and as such might also involve ubiquitination of other sites. Cell fractionation studies revealed that Vpu enhanced the levels of ubiquitinated forms of CD4 detected in association with not only the ER membrane but also the cytosol. Interestingly, significant amounts of membrane-associated ubiquitinated CD4 appeared to be fully dislocated since they could be recovered following sodium carbonate salt treatment. Finally, expression of a transdominant negative mutant of the AAA ATPase Cdc48/p97 involved in the extraction of ERAD substrates from the ER membrane inhibited Vpu-mediated CD4 degradation. CONCLUSION: Taken together, these results are consistent with a model whereby HIV-1 Vpu targets CD4 for degradation by an ERAD-like process involving most likely poly-ubiquitination of the CD4 cytosolic tail by SCFbeta-TrCP prior to dislocation of receptor molecules across the ER membrane by a process that depends on the AAA ATPase Cdc48/p97.

Systematic analysis of protein complexes involved in the human RNA polymerase II machinery

La transcription, la maturation d’ARN, et le remodelage de la chromatine sont tous des processus centraux dans l'interprétation de l'information contenue dans l’ADN. Bien que beaucoup de complexes de protéines formant la machinerie cellulaire de transcription aient été étudiés, plusieurs restent encore à identifier et caractériser. En utilisant une approche protéomique, notre laboratoire a purifié plusieurs composantes de la machinerie de transcription de l’ARNPII humaine par double chromatographie d’affinité "TAP". Cette procédure permet l'isolement de complexes protéiques comme ils existent vraisemblablement in vivo dans les cellules mammifères, et l'identification de partenaires d'interactions par spectrométrie de masse. Les interactions protéiques qui sont validées bioinformatiquement, sont choisies et utilisées pour cartographier un réseau connectant plusieurs composantes de la machinerie transcriptionnelle. En appliquant cette procédure, notre laboratoire a identifié, pour la première fois, un groupe de protéines, qui interagit physiquement et fonctionnellement avec l’ARNPII humaine. Les propriétés de ces protéines suggèrent un rôle dans l'assemblage de complexes à plusieurs sous-unités, comme les protéines d'échafaudage et chaperonnes. L'objectif de mon projet était de continuer la caractérisation du réseau de complexes protéiques impliquant les facteurs de transcription. Huit nouveaux partenaires de l’ARNPII (PIH1D1, GPN3, WDR92, PFDN2, KIAA0406, PDRG1, CCT4 et CCT5) ont été purifiés par la méthode TAP, et la spectrométrie de masse a permis d’identifier de nouvelles interactions. Au cours des années, l’analyse par notre laboratoire des mécanismes de la transcription a contribué à apporter de nouvelles connaissances et à mieux comprendre son fonctionnement. Cette connaissance est essentielle au développement de médicaments qui cibleront les mécanismes de la transcription.

Dissecting cell cycle protein complexes using the pptimized yeast cytosine deaminase protein-fragment complementation assay “You too can play with an edge”

Les protéines sont les produits finaux de la machinerie génétique. Elles jouent des rôles essentiels dans la définition de la structure, de l'intégrité et de la dynamique de la cellule afin de promouvoir les diverses transformations chimiques requises dans le métabolisme et dans la transmission des signaux biochimique. Nous savons que la doctrine centrale de la biologie moléculaire: un gène = un ARN messager = une protéine, est une simplification grossière du système biologique. En effet, plusieurs ARN messagers peuvent provenir d’un seul gène grâce à l’épissage alternatif. De plus, une protéine peut adopter plusieurs fonctions au courant de sa vie selon son état de modification post-traductionelle, sa conformation et son interaction avec d’autres protéines. La formation de complexes protéiques peut, en elle-même, être déterminée par l’état de modifications des protéines influencées par le contexte génétique, les compartiments subcellulaires, les conditions environmentales ou être intrinsèque à la croissance et la division cellulaire. Les complexes protéiques impliqués dans la régulation du cycle cellulaire sont particulièrement difficiles à disséquer car ils ne se forment qu’au cours de phases spécifiques du cycle cellulaire, ils sont fortement régulés par les modifications post-traductionnelles et peuvent se produire dans tous les compartiments subcellulaires. À ce jour, aucune méthode générale n’a été développée pour permettre une dissection fine de ces complexes macromoléculaires. L'objectif de cette thèse est d'établir et de démontrer une nouvelle stratégie pour disséquer les complexes protéines formés lors du cycle cellulaire de la levure Saccharomyces cerevisiae (S. cerevisiae). Dans cette thèse, je décris le développement et l'optimisation d'une stratégie simple de sélection basée sur un essai de complémentation de fragments protéiques en utilisant la cytosine déaminase de la levure comme sonde (PCA OyCD). En outre, je décris une série d'études de validation du PCA OyCD afin de l’utiliser pour disséquer les mécanismes d'activation des facteurs de transcription et des interactions protéine-protéines (IPPs) entre les régulateurs du cycle cellulaire. Une caractéristique clé du PCA OyCD est qu'il peut être utilisé pour détecter à la fois la formation et la dissociation des IPPs et émettre un signal détectable (la croissance des cellules) pour les deux types de sélections. J'ai appliqué le PCA OyCD pour disséquer les interactions entre SBF et MBF, deux facteurs de transcription clés régulant la transition de la phase G1 à la phase S. SBF et MBF sont deux facteurs de transcription hétérodimériques composés de deux sous-unités : une protéine qui peut lier directement l’ADN (Swi4 ou Mbp1, respectivement) et une protéine commune contenant un domain d’activation de la transcription appelée Swi6. J'ai appliqué le PCA OyCD afin de générer un mutant de Swi6 qui restreint ses activités transcriptionnelles à SBF, abolissant l’activité MBF. Nous avons isolé des souches portant des mutations dans le domaine C-terminal de Swi6, préalablement identifié comme responsable dans la formation de l’interaction avec Swi4 et Mbp1, et également important pour les activités de SBF et MBF. Nos résultats appuient un modèle où Swi6 subit un changement conformationnel lors de la liaison à Swi4 ou Mbp1. De plus, ce mutant de Swi6 a été utilisé pour disséquer le mécanisme de régulation de l’entrée de la cellule dans un nouveau cycle de division cellulaire appelé « START ». Nous avons constaté que le répresseur de SBF et MBF nommé Whi5 se lie directement au domaine C-terminal de Swi6. Finalement, j'ai appliqué le PCA OyCD afin de disséquer les complexes protéiques de la kinase cycline-dépendante de la levure nommé Cdk1. Cdk1 est la kinase essentielle qui régule la progression du cycle cellulaire et peut phosphoryler un grand nombre de substrats différents en s'associant à l'une des neuf protéines cycline régulatrice (Cln1-3, Clb1-6). Je décris une stratégie à haut débit, voir à une échelle génomique, visant à identifier les partenaires d'interaction de Cdk1 et d’y associer la cycline appropriée(s) requise(s) à l’observation d’une interaction en utilisant le PCA OyCD et des souches délétées pour chacune des cyclines. Mes résultats nous permettent d’identifier la phase(s) du cycle cellulaire où Cdk1 peut phosphoryler un substrat particulier et la fonction potentielle ou connue de Cdk1 pendant cette phase. Par exemple, nous avons identifié que l’interaction entre Cdk1 et la γ-tubuline (Tub4) est dépendante de Clb3. Ce résultat est conforme au rôle de Tub4 dans la nucléation et la croissance des faisceaux mitotiques émanant des centromères. Cette stratégie peut également être appliquée à l’étude d'autres IPPs qui sont contrôlées par des sous-unités régulatrices.

CEP78, a novel centrosomal protein

Contexte: Le centrosome est un petit organite bien connu pour son rôle dans l'établissement du fuseau bipolaire pendant la division cellulaire. Les déficiences de la fonction du centrosome donnent souvent lieu à des maladies humaines, y compris le cancer et la formation de kystes rénaux. Nous sommes intéressés à étudier la fonction d'une nouvelle protéine centrosomale nommée CEP78, identifiée dans un criblage protéomique pour de nouveaux composants centrosomaux. Méthodes et résultats : Le traitement des cellules avec le nocodazole, un agent qui dépolymérise spécifiquement les microtubules cytoplasmiques mais pas les microtubules stabilisés du centrosome, a montré que CEP78 est un composant centrosomal stable. La colocalisation de cette protéine avec d'autres marqueurs centrosomaux tels que CEP164, SAS6, Centrine, tubuline polyglutamylée et POC5, à différentes phases du cycle cellulaire a indiqué que CEP78 est précisément à l'extrémité distale des centrioles, mères et filles. Il existe deux pointts CEP78 au cours de l’interphase et les cellules passent par la mitose, procentrioles maturent, et le nombre de points de CEP78 augmente à 4 par cellule et, à la fin de la télophase chaque cellule fille possède 2 points CEP78. La caractérisation des domaines fonctionnels de CEP78 a montré que des répétitions riches en leucine sont nécessaires pour la localisation centrosomale de la protéine. En outre, nous avons constaté que la surexpression de CEP78 ne change pas le nombre de mères/procentrioles mais diminue le nombre et l'intensité des points de CEP170 (protéine d'appendice sous-distal) sans diminution du niveau d'expression de cette protéine. D'autres études ont montré qu'il n'y a pas d'interaction entre ces deux protéines. Enfin, la surexpression de CEP78 protège des microtubules contre la dépolymérisation en présence de nocodazole, ce qui suggère qu'il possède la capacité de lier les microtubules. Conclusion : Nos résultats suggèrent que CEP78 est destiné à l'extrémité distale des centrioles matures par ses répétitions riche en lecuine, où il pourrait être impliqué dans la maturation ou la régulation de l'assemblage ou de la rénovation de l'appendice sous-distal centriolaire, une structure connue dans la nucléation des microtubules et d'ancrage. Comprendre la fonction de Cep78 contribuera à éclaircir le rôle du centrosome dans le cycle cellulaire.

Searching for novel gene functions in yeast : identification of thousands of novel molecular interactions by protein-fragment complementation assay followed by automated gene function prediction and high-throughput lipidomics

La compréhension de processus biologiques complexes requiert des approches expérimentales et informatiques sophistiquées. Les récents progrès dans le domaine des stratégies génomiques fonctionnelles mettent dorénavant à notre disposition de puissants outils de collecte de données sur l’interconnectivité des gènes, des protéines et des petites molécules, dans le but d’étudier les principes organisationnels de leurs réseaux cellulaires. L’intégration de ces connaissances au sein d’un cadre de référence en biologie systémique permettrait la prédiction de nouvelles fonctions de gènes qui demeurent non caractérisées à ce jour. Afin de réaliser de telles prédictions à l’échelle génomique chez la levure Saccharomyces cerevisiae, nous avons développé une stratégie innovatrice qui combine le criblage interactomique à haut débit des interactions protéines-protéines, la prédiction de la fonction des gènes in silico ainsi que la validation de ces prédictions avec la lipidomique à haut débit. D’abord, nous avons exécuté un dépistage à grande échelle des interactions protéines-protéines à l’aide de la complémentation de fragments protéiques. Cette méthode a permis de déceler des interactions in vivo entre les protéines exprimées par leurs promoteurs naturels. De plus, aucun biais lié aux interactions des membranes n’a pu être mis en évidence avec cette méthode, comparativement aux autres techniques existantes qui décèlent les interactions protéines-protéines. Conséquemment, nous avons découvert plusieurs nouvelles interactions et nous avons augmenté la couverture d’un interactome d’homéostasie lipidique dont la compréhension demeure encore incomplète à ce jour. Par la suite, nous avons appliqué un algorithme d’apprentissage afin d’identifier huit gènes non caractérisés ayant un rôle potentiel dans le métabolisme des lipides. Finalement, nous avons étudié si ces gènes et un groupe de régulateurs transcriptionnels distincts, non préalablement impliqués avec les lipides, avaient un rôle dans l’homéostasie des lipides. Dans ce but, nous avons analysé les lipidomes des délétions mutantes de gènes sélectionnés. Afin d’examiner une grande quantité de souches, nous avons développé une plateforme à haut débit pour le criblage lipidomique à contenu élevé des bibliothèques de levures mutantes. Cette plateforme consiste en la spectrométrie de masse à haute resolution Orbitrap et en un cadre de traitement des données dédié et supportant le phénotypage des lipides de centaines de mutations de Saccharomyces cerevisiae. Les méthodes expérimentales en lipidomiques ont confirmé les prédictions fonctionnelles en démontrant certaines différences au sein des phénotypes métaboliques lipidiques des délétions mutantes ayant une absence des gènes YBR141C et YJR015W, connus pour leur implication dans le métabolisme des lipides. Une altération du phénotype lipidique a également été observé pour une délétion mutante du facteur de transcription KAR4 qui n’avait pas été auparavant lié au métabolisme lipidique. Tous ces résultats démontrent qu’un processus qui intègre l’acquisition de nouvelles interactions moléculaires, la prédiction informatique des fonctions des gènes et une plateforme lipidomique innovatrice à haut débit , constitue un ajout important aux méthodologies existantes en biologie systémique. Les développements en méthodologies génomiques fonctionnelles et en technologies lipidomiques fournissent donc de nouveaux moyens pour étudier les réseaux biologiques des eucaryotes supérieurs, incluant les mammifères. Par conséquent, le stratégie présenté ici détient un potentiel d’application au sein d’organismes plus complexes.

New insights into small molecules inhibitors and protein-protein interactions of VirB8 : a critical conserved component of the type IV secretion system.

Les systèmes bactériens de sécrétion de type IV (T4SS) sont constitués d’un ensemble de 8 à 12 protéines conservées. Ces dernières sont utilisées lors de la translocation de protéines, la translocation de complexes ADN-protéines mais aussi pour le transport de ces derniers au travers de la membrane cellulaire. Les T4SS, en tant que facteurs de virulence pour beaucoup de pathogènes comme Brucella suis, sont donc d’excellents modèles cibles pour le développement de médicaments d’antivirulence. Ces médicaments, en privant le pathogène de son facteur essentiel de virulence : le T4SS, constituent une alternative ou encore une amélioration des traitements antibiotiques utilisés actuellement. VirB8, un facteur d’assemblage conservé dans le T4SS, forme des dimères qui sont importants pour la fonction des T4SS dans ces pathogènes. De par ses interactions multiples, VirB8 est un excellent modèle pour l’analyse des facteurs d’assemblage mais aussi en tant que cible de médicaments qui empêcheraient son interaction avec d’autres protéines et qui, in fine, désarmeraient les bactéries en les privant de leur fonctions essentielles de virulence. À ce jour, nous savons qu’il existe un équilibre monomère-dimère et un processus d’homodimerization de VirB8 dont l’importance est vitale pour la fonctionnement biologique des T4SSs. En se basant sur des essais quantitatifs d’interaction, nous avons identifié (i) des sites potentiels d’interaction avec d’autres protéines VirB du T4SS mais aussi (ii) isolé des petites molécules inhibitrices afin de tester la fonction protéique de VirB8. Afin de déterminer les acides aminés importants pour l’hétérodimérization de VirB8 avec VirB10, nous avons effectué des expériences de mutagenèse aléatoire, de phage display et d’arrimage moléculaire in silico. Ces expériences ont démontré l’importance de trois acides aminés localisés sur le feuillet β : R160, S162, T164 et I165. Ces derniers seraient importants pour l’association de VirB8 avec VirB10 étant donné que leur mutagenèse entraine une diminution de la formation du complexe VirB8-VirB10. L’objectif actuel de notre projet de recherche est de pouvoir mieux comprendre mais aussi d’évaluer le rôle de VirB8 dans l’assemblage du T4SS. Grace à un méthode de criblage adaptée à partir de la structure de VirB8, nous avons pu identifié une petite molécule inhibitrice BAR-068, qui aurait un rôle prometteur dans l’inhibition du T4SS. Nous avons utilisé la spectroscopie par fluorescence, l’essai à deux hybrides, le cross-linking et la cristallographie afin de déterminer le mécanisme d'interaction existant entre VirB8 et BAR-068. Ces travaux pourraient permettre de nombreuses avancées, notamment en termes de compréhension des mécanismes d’inhibition du T4SS. Notre objectif ultime est de pouvoir caractériser la séquence d’évènements essentiels à l’assemblage et au fonctionnement du T4SS. De manière globale, notre projet de recherche permettrait de révéler les grands principes d’assemblage des protéines membranaires, les processus de sécrétion de protéines chez les bactéries mais aussi de proposer une nouvelle stratégie lors du développement de drogues antimicrobiennes.

Protein Folding Simulations: Confinement, External Fields and Sequence Design

The present Thesis looks at the problem of protein folding using Monte Carlo and Langevin simulations, three topics in protein folding have been studied: 1) the effect of confining potential barriers, 2) the effect of a static external field and 3) the design of amino acid sequences which fold in a short time and which have a stable native state (global minimum). Regarding the first topic, we studied the confinement of a small protein of 16 amino acids known as 1NJ0 (PDB code) which has a beta-sheet structure as a native state. The confinement of proteins occurs frequently in the cell environment. Some molecules called Chaperones, present in the cytoplasm, capture the unfolded proteins in their interior and avoid the formation of aggregates and misfolded proteins. This mechanism of confinement mediated by Chaperones is not yet well understood. In the present work we considered two kinds of potential barriers which try to mimic the confinement induced by a Chaperon molecule. The first kind of potential was a purely repulsive barrier whose only effect is to create a cavity where the protein folds up correctly. The second kind of potential was a barrier which includes both attractive and repulsive effects. We performed Wang-Landau simulations to calculate the thermodynamical properties of 1NJ0. From the free energy landscape plot we found that 1NJ0 has two intermediate states in the bulk (without confinement) which are clearly separated from the native and the unfolded states. For the case of the purely repulsive barrier we found that the intermediate states get closer to each other in the free energy landscape plot and eventually they collapse into a single intermediate state. The unfolded state is more compact, compared to that in the bulk, as the size of the barrier decreases. For an attractive barrier modifications of the states (native, unfolded and intermediates) are observed depending on the degree of attraction between the protein and the walls of the barrier. The strength of the attraction is measured by the parameter $\epsilon$. A purely repulsive barrier is obtained for $\epsilon=0$ and a purely attractive barrier for $\epsilon=1$. The states are changed slightly for magnitudes of the attraction up to $\epsilon=0.4$. The disappearance of the intermediate states of 1NJ0 is already observed for $\epsilon =0.6$. A very high attractive barrier ($\epsilon \sim 1.0$) produces a completely denatured state. In the second topic of this Thesis we dealt with the interaction of a protein with an external electric field. We demonstrated by means of computer simulations, specifically by using the Wang-Landau algorithm, that the folded, unfolded, and intermediate states can be modified by means of a field. We have found that an external field can induce several modifications in the thermodynamics of these states: for relatively low magnitudes of the field ($<2.06 \times 10^8$ V/m) no major changes in the states are observed. However, for higher magnitudes than ($6.19 \times 10^8$ V/m) one observes the appearance of a new native state which exhibits a helix-like structure. In contrast, the original native state is a $\beta$-sheet structure. In the new native state all the dipoles in the backbone structure are aligned parallel to the field. The design of amino acid sequences constitutes the third topic of the present work. We have tested the Rate of Convergence criterion proposed by D. Gridnev and M. Garcia ({\it work unpublished}). We applied it to the study of off-lattice models. The Rate of Convergence criterion is used to decide if a certain sequence will fold up correctly within a relatively short time. Before the present work, the common way to decide if a certain sequence was a good/bad folder was by performing the whole dynamics until the sequence got its native state (if it existed), or by studying the curvature of the potential energy surface. There are some difficulties in the last two approaches. In the first approach, performing the complete dynamics for hundreds of sequences is a rather challenging task because of the CPU time needed. In the second approach, calculating the curvature of the potential energy surface is possible only for very smooth surfaces. The Rate of Convergence criterion seems to avoid the previous difficulties. With this criterion one does not need to perform the complete dynamics to find the good and bad sequences. Also, the criterion does not depend on the kind of force field used and therefore it can be used even for very rugged energy surfaces.

Loss of Anticodon Wobble Uridine Modifications Affects tRNALys Function and Protein Levels in Saccharomyces cerevisiae

In eukaryotes, wobble uridines in the anticodons of tRNALysUUU, tRNAGluUUC and tRNAGlnUUG are modified to 5-methoxy-carbonyl-methyl-2-thio-uridine (mcm5s2U). While mutations in subunits of the Elongator complex (Elp1-Elp6), which disable mcm5 side chain formation, or removal of components of the thiolation pathway (Ncs2/Ncs6, Urm1, Uba4) are individually tolerated, the combination of both modification defects has been reported to have lethal effects on Saccharomyces cerevisiae. Contrary to such absolute requirement of mcm5s2U for viability, we demonstrate here that in the S. cerevisiae S288C-derived background, both pathways can be simultaneously inactivated, resulting in combined loss of tRNA anticodon modifications (mcm5U and s2U) without a lethal effect. However, an elp3 disruption strain displays synthetic sick interaction and synergistic temperature sensitivity when combined with either uba4 or urm1 mutations, suggesting major translational defects in the absence of mcm5s2U modifications. Consistent with this notion, we find cellular protein levels drastically decreased in an elp3uba4 double mutant and show that this effect as well as growth phenotypes can be partially rescued by excess of tRNALysUUU. These results may indicate a global translational or protein homeostasis defect in cells simultaneously lacking mcm5 and s2 wobble uridine modification that could account for growth impairment and mainly originates from tRNALysUUU hypomodification and malfunction.

Structural insights into the allosteric activation mechanism of cGMP-dependent protein kinase I

Cyclic GMP-dependent protein kinase (PKG) is a key transducer in the NO-cGMP signaling pathway. In this line, PKG has been considered an important drug target for treating hypertensive cardiovascular and pulmonary diseases. However, the investigation of PKG’s allosteric activation mechanism has been hampered by a lack of structural information. One of the fundamental questions on the cGMP-dependent activation of PKG is how the enzyme can distinguish cGMP over cAMP and selectively respond to cGMP. To ensure proper signaling, PKG must have developed unique features to ensure its activation upon the right activation signal. In this thesis, the cGMP-selective activation mechanism of PKG was studied through determining crystal structures of three truncated constructs of the regulatory domain [CNB-A (92-227), CNB-B (271-369), and CNB-A/B (92-351)] of PKG Iβ in the absence or presence of cyclic nucleotides. Herein, two individual CNB domain structures with biochemical data revealed that the C-terminal CNB domain (CNB-B) is responsible for cGMP selectivity, while the N-terminal CNB-domain (CNB-A) has a higher binding affinity for both cGMP and cAMP without showing any selectivity. Based on these crystal structures, mutagenesis studies were performed in which the critical residues for cyclic nucleotide selectivity and activation were identified. Furthermore, we discovered that the conformational changes of the C-terminal helix of the CNB-B that bridges between the regulatory and catalytic domains including the hydrophobic capping interaction are crucial for PKG activation. In addition, to observe the global conformation of the activated R-domain, I solved a co-crystal structure of the CNB-A/B with cGMP. Although a monomeric construct was crystallized, the structure displays a dimer. Strikingly, the CNB-A domain and its bound cGMP provide a key interface for this dimeric interaction. Using small angle X-ray scattering (SAXS), the existence of the cGMP-mediated dimeric interface within the CNB domains was confirmed. Furthermore, measuring cGMP-binding affinities (EC50) of the dimeric interface mutants as well as determining activation constants (Ka) revealed that the interface formation is important for PKG activation. To conclude, this thesis study provides a new mechanistic insight in PKG activation along with a newly found interface that can be targeted for designing PKG-specific activity modulators.

Identification, characterization and antigenicity of the Plasmodium vivax rhoptry neck protein 1 (PvRON1)

Background: Plasmodium vivax malaria remains a major health problem in tropical and sub-tropical regions worldwide. Several rhoptry proteins which are important for interaction with and/or invasion of red blood cells, such as PfRONs, Pf92, Pf38, Pf12 and Pf34, have been described during the last few years and are being considered as potential anti-malarial vaccine candidates. This study describes the identification and characterization of the P. vivax rhoptry neck protein 1 (PvRON1) and examine its antigenicity in natural P. vivax infections. Methods: The PvRON1 encoding gene, which is homologous to that encoding the P. falciparum apical sushi protein (ASP) according to the plasmoDB database, was selected as our study target. The pvron1 gene transcription was evaluated by RT-PCR using RNA obtained from the P. vivax VCG-1 strain. Two peptides derived from the deduced P. vivax Sal-I PvRON1 sequence were synthesized and inoculated in rabbits for obtaining anti-PvRON1 antibodies which were used to confirm the protein expression in VCG-1 strain schizonts along with its association with detergent-resistant microdomains (DRMs) by Western blot, and its localization by immunofluorescence assays. The antigenicity of the PvRON1 protein was assessed using human sera from individuals previously exposed to P. vivax malaria by ELISA. Results: In the P. vivax VCG-1 strain, RON1 is a 764 amino acid-long protein. In silico analysis has revealed that PvRON1 shares essential characteristics with different antigens involved in invasion, such as the presence of a secretory signal, a GPI-anchor sequence and a putative sushi domain. The PvRON1 protein is expressed in parasite's schizont stage, localized in rhoptry necks and it is associated with DRMs. Recombinant protein recognition by human sera indicates that this antigen can trigger an immune response during a natural infection with P. vivax. Conclusions: This study shows the identification and characterization of the P. vivax rhoptry neck protein 1 in the VCG-1 strain. Taking into account that PvRON1 shares several important characteristics with other Plasmodium antigens that play a functional role during RBC invasion and, as shown here, it is antigenic, it could be considered as a good vaccine candidate. Further studies aimed at assessing its immunogenicity and protection-inducing ability in the Aotus monkey model are thus recommended.

AtTRB1, a telomeric DNA-binding protein from Arabidopsis, is concentrated in the nucleolus and shows highly dynamic association with chromatin

AtTRB1, 2 and 3 are members of the SMH (single Myb histone) protein family, which comprises double-stranded DNA-binding proteins that are specific to higher plants. They are structurally conserved, containing a Myb domain at the N-terminus, a central H1/H5-like domain and a C-terminally located coiled-coil domain. AtTRB1, 2 and 3 interact through their Myb domain specifically with telomeric double-stranded DNA in vitro, while the central H1/H5-like domain interacts non-specifically with DNA sequences and mediates protein–protein interactions. Here we show that AtTRB1, 2 and 3 preferentially localize to the nucleus and nucleolus during interphase. Both the central H1/H5-like domain and the Myb domain from AtTRB1 can direct a GFP fusion protein to the nucleus and nucleolus. AtTRB1–GFP localization is cell cycle-regulated, as the level of nuclear-associated GFP diminishes during mitotic entry and GFP progressively re-associates with chromatin during anaphase/telophase. Using fluorescence recovery after photobleaching and fluorescence loss in photobleaching, we determined the dynamics of AtTRB1 interactions in vivo. The results reveal that AtTRB1 interaction with chromatin is regulated at two levels at least, one of which is coupled with cell-cycle progression, with the other involving rapid exchange.

Probing protein−tannin interactions by isothermal titration microcalorimetry

Isothermal titration microcalorimetry (ITC) has been applied to investigate protein−tannin interactions. Two hydrolyzable tannins were studied, namely myrabolan and tara tannins, for their interaction with bovine serum albumin (BSA), a model globular protein, and gelatin, a model proline-rich random coil protein. Calorimetry data indicate that protein−tannin interaction mechanisms are dependent upon the nature of the protein involved. Tannins apparently interact nonspecifically with the globular BSA, leading to binding saturation at estimated tannin/BSA molar ratios of 48:1 for tara- and 178:1 for myrabolan tannins. Tannins bind to the random coil protein gelatin by a two-stage mechanism. The energetics of the first stage show evidence for cooperative binding of tannins to the protein, while the second stage indicates gradual saturation of binding sites as observed for interaction with BSA. The structure and flexibility of the tannins themselves alters the stoichiometry of the interaction, but does not appear to have any significant affect on the overall binding mechanism observed. This study demonstrates the potential of ITC for providing an insight into the nature of protein−tannin interactions.