Molecular models of NS3 protease variants of the Hepatitis C virus

Background: Hepatitis C virus (HCV) currently infects approximately three percent of the world population. In view of the lack of vaccines against HCV, there is an urgent need for an efficient treatment of the disease by an effective antiviral drug. Rational drug design has not been the primary way for discovering major therapeutics. Nevertheless, there are reports of success in the development of inhibitor using a structure-based approach. One of the possible targets for drug development against HCV is the NS3 protease variants. Based on the three-dimensional structure of these variants we expect to identify new NS3 protease inhibitors. In order to speed up the modeling process all NS3 protease variant models were generated in a Beowulf cluster. The potential of the structural bioinformatics for development of new antiviral drugs is discussed.Results: the atomic coordinates of crystallographic structure 1CU1 and 1DY9 were used as starting model for modeling of the NS3 protease variant structures. The NS3 protease variant structures are composed of six subdomains, which occur in sequence along the polypeptide chain. The protease domain exhibits the dual beta-barrel fold that is common among members of the chymotrypsin serine protease family. The helicase domain contains two structurally related beta-alpha-beta subdomains and a third subdomain of seven helices and three short beta strands. The latter domain is usually referred to as the helicase alpha-helical subdomain. The rmsd value of bond lengths and bond angles, the average G-factor and Verify 3D values are presented for NS3 protease variant structures.Conclusions: This project increases the certainty that homology modeling is an useful tool in structural biology and that it can be very valuable in annotating genome sequence information and contributing to structural and functional genomics from virus. The structural models will be used to guide future efforts in the structure-based drug design of a new generation of NS3 protease variants inhibitors. All models in the database are publicly accessible via our interactive website, providing us with large amount of structural models for use in protein-ligand docking analysis.

Structural studies of shikimate 5-dehydrogenase from Mycobacterium tuberculosis

Tuberculosis (TB) remains the leading cause of mortality due to a single bacterial pathogen, Mycobacterium tuberculosis. The reemergence of TB as a potential public health threat, the high susceptibility of human immunodeficiency virus-infected persons to the disease, the proliferation of multi-drug-resistant strains (MDR-TB) and, more recently, of extensively drug resistant isolates (XDR-TB) have created a need for the development of new antimycobacterial agents. Amongst the several proteins and/or enzymes to be studied as potential targets to develop novel drugs against M. tuberculosis, the enzymes of the shikimate pathway are attractive targets because they are essential in algae, higher plants, bacteria, and fungi, but absent from mammals. The mycobacterial shikimate pathway leads to the biosynthesis of chorismate, which is a precursor of aromatic amino acids, naphthoquinones, menaquinones, and mycobactins. Here we report the structural studies by homology modeling and circular dichroism spectroscopy of the shikimate dehydrogenase from M. tuberculosis (MtSDH), which catalyses the fourth step of the shikimate pathway. Our structural models show that the MtSDH has similar structure to other shikimate dehydrogenase structures previously reported either in presence or absence of NADP, despite the low amino acid sequence identity. The circular dichroism spectra corroborate the secondary structure content observed in the MtSDH models developed. The enzyme was stable up to 50 degrees C presenting a cooperative unfolding profile with the midpoint of the unfolding temperature value of similar to 63-64 degrees C, as observed in the unfolding experiment followed by circular dichroism. Our MtSDH structural models and circular dichroism data showed small conformational changes induced by NADP binding. We hope that the data presented here will assist the rational design of antitubercular agents.

Molecular models of cyclin-dependent kinase 1 complexed with inhibitors

Roscovitine and flavopiridol have been shown to potently inhibit cyclin-dependent kinase 1 and 2 (CDK1 and 2). The structures of CDK2 complexed with roscovitine and deschoroflavopiridol have been reported, however no crystallographic structure is available for complexes of CDK1 with inhibitors. The present work describes two molecular models for the binary complexes CDK1:roscovitine and CDK1:flavopiridol. These structural models indicate that both inhibitors strongly bind to the ATP-binding pocket of CDKI and structural comparison of the CDK complexes correlates the structures with differences in inhibition of these CDKs by flavopiridol and roscovitine. This article explains the structural basis for the observed differences in activity of these inhibitors. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

DBMODELING - A database applied to the study of protein targets from genome projects

Genome sequencing efforts are providing us with complete genetic blueprints for hundreds of organisms. We are now faced with assigning, understanding, and modifying the functions of proteins encoded by these genomes. DBMODELING is a relational database of annotated comparative protein structure models and their metabolic pathway characterization, when identified. This procedure was applied to complete genomes such as Mycobacteritum tuberculosis and Xylella fastidiosa. The main interest in the study of metabolic pathways is that some of these pathways are not present in humans, which makes them selective targets for drug design, decreasing the impact of drugs in humans. In the database, there are currently 1116 proteins from two genomes. It can be accessed by any researcher at http://www.biocristalografia.df.ibilce.unesp.br/tools/. This project confirms that homology modeling is a useful tool in structural bioinformatics and that it can be very valuable in annotating genome sequence information, contributing to structural and functional genomics, and analyzing protein-ligand docking.

Biophysical characterization of the recombinant importin-α from neurospora crassa

Neurospora crassa has been widely used as a model organism and contributed to the development of biochemistry and molecular biology by allowing the identification of many metabolic pathways and mechanisms responsible for gene regulation. Nuclear proteins are synthesized in the cytoplasm and need to be translocated to the nucleus to exert their functions which the importin-α receptor has a key role for the classical nuclear import pathway. In an attempt to get structural information of the nuclear transport process in N. crassa, we present herein the cloning, expression, purification and structural studies with N-terminally truncated IMPα from N. crassa (IMPα-Nc). Circular dichroism analysis revealed that the IMPα-Nc obtained is correctly folded and presents a high structural conservation compared to other importins-α. Dynamic light scattering, analytical size-exclusion chromatography experiments and molecular dynamics simulations indicated that the IMPα-Nc unbound to any ligand may present low stability in solution. The IMPα-Nc theoretical model displayed high similarity of its inner concave surface, which binds the cargo proteins containing the nuclear localization sequences, among IMPα from different species. However, the presence of non-conserved amino acids relatively close to the NLS binding region may influence the binding specificity of IMPα-Nc to cargo proteins. Copyright © 2012 Bentham Science Publishers. All Rights Reserved.

Peptídeos derivados da toxina bacteriana ParE: síntese, estrutura e ação inibitória sobre a atividade de topoisomerases

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Diversity and three-dimensional structures of the alpha Mcr of the methanogenic Archaea from the anoxic region of Tucuruí Lake, in Eastern Brazilian Amazonia

ABSTRACT: Methanogenic archaeans are organisms of considerable ecological and biotechnological interest that produce methane through a restricted metabolic pathway, which culminates in the reaction catalyzed by the Methyl-coenzyme M reductase (Mcr) enzyme, and results in the release of methane. Using a metagenomic approach, the gene of the a subunit of mcr (mcrα) was isolated from sediment sample from an anoxic zone, rich in decomposing organic material, obtained from the Tucuruí hydroelectric dam reservoir in eastern Brazilian Amazonia. The partial nucleotide sequences obtained were 83 to 95% similar to those available in databases, indicating a low diversity of archaeans in the reservoir. Two orders were identified -the Methanomicrobiales, and a unique Operational Taxonomic Unit (OTU) forming a clade with the Methanosarcinales according to low bootstrap values. Homology modeling was used to determine the three-dimensional (3D) structures, for this the partial nucleotide sequence of the mcrα were isolated and translated on their partial amino acid sequences. The 3D structures of the archaean mcrα observed in the present study varied little, and presented approximately 70% identity in comparison with the mcrα of Methanopyrus klanderi. The results demonstrated that the community of methanogenic archaeans of the anoxic C1 region of the Tucurui reservoir is relatively homogeneous.

Biophysical Characterization of the Recombinant Importin-alpha from Neurospora crassa

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Function inferences from a molecular structural model of bacterial ParE toxin

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Structural insights regarding an insecticidal Talisia esculenta protein and its biotechnological potential for Diatraea saccharalis larval control

Talisin is a seed-storage protein from Talisia esculenta that presents lectin-like activities, as well as proteinase-inhibitor properties. The present study aims to provide new in vitro and in silico biochemical information about this protein, shedding some light on its mechanistic inhibitory strategies. A theoretical three-dimensional structure of Talisin bound to trypsin was constructed in order to determine the relative interaction mode. Since the structure of non-competitive inhibition has not been elucidated, Talisin-trypsin docking was carried out using Hex v5.1, since the structure of non-competitive inhibition has not been elucidated. The predicted non-coincidence of the trypsin binding site is completely different from that previously proposed for Kunitz-type inhibitors, which demonstrate a substitution of an Arg(64) for the Glu(64) residue. Data, therefore, provide more information regarding the mechanisms of non-competitive plant proteinase inhibitors. Bioassays with Talisin also presented a strong insecticide effect on the larval development of Diatraea saccharalis, demonstrating LD50 and ED50 of ca. 2.0% and 1.5%, respectively. (C) 2011 Elsevier Inc. All rights reserved.

Molecular interactions: metal ions and protein chaperones in the urease system from Helicobacter pylori

Although nickel is a toxic metal for living organisms in its soluble form, its importance in many biological processes recently emerged. In this view, the investigation of the nickel-dependent enzymes urease and [NiFe]-hydrogenase, especially the mechanism of nickel insertion into their active sites, represent two intriguing case studies to understand other analogous systems and therefore to lead to a comprehension of the nickel trafficking inside the cell. Moreover, these two enzymes have been demonstrated to ensure survival and colonization of the human pathogen H. pylori, the only known microorganism able to proliferate in the gastric niche. The right nickel delivering into the urease active site requires the presence of at least four accessory proteins, UreD, UreE, UreF and UreG. Similarly, analogous process is principally mediated by HypA and HypB proteins in the [NiFe]-hydrogenase system. Indeed, HpHypA and HpHypB also have been proposed to act in the activation of the urease enzyme from H. pylori, probably mobilizing nickel ions from HpHypA to the HpUreE-HpUreG complex. A complete comprehension of the interaction mechanism between the accessory proteins and the crosstalk between urease and hydrogenase accessory systems requires the determination of the role of each protein chaperone that strictly depends on their structural and biochemical properties. The availability of HpUreE, HpUreG and HpHypA proteins in a pure form is a pre-requisite to perform all the subsequent protein characterizations, thus their purification was the first aim of this work. Subsequently, the structural and biochemical properties of HpUreE were investigated using multi-angle and quasi-elastic light scattering, as well as NMR and circular dichroism spectroscopy. The thermodynamic parameters of Ni2+ and Zn2+ binding to HpUreE were principally established using isothermal titration calorimetry and the importance of key histidine residues in the process of binding metal ions was studied using site-directed mutagenesis. The molecular details of the HpUreE-HpUreG and HpUreE-HpHypA protein-protein assemblies were also elucidated. The interaction between HpUreE and HpUreG was investigated using ITC and NMR spectroscopy, and the influence of Ni2+ and Zn2+ metal ions on the stabilization of this association was established using native gel electrophoresis, light scattering and thermal denaturation scanning followed by CD spectroscopy. Preliminary HpUreE-HpHypA interaction studies were conducted using ITC. Finally, the possible structural architectures of the two protein-protein assemblies were rationalized using homology modeling and docking computational approaches. All the obtained data were interpreted in order to achieve a more exhaustive picture of the urease activation process, and the correlation with the accessory system of the hydrogenase enzyme, considering the specific role and activity of the involved protein players. A possible function for Zn2+ in the chaperone network involved in Ni2+ trafficking and urease activation is also envisaged.

Zur Struktur und Funktion der Typ-3-Kupferproteine sowie der Lichtsammlerkomplexe LHCI und LHCII

In der vorliegenden Arbeit wurden die bioinformatischen Methoden der Homologie-Modellierung und Molekularen Modellierung dazu benutzt, die dreidimensionalen Strukturen verschiedenster Proteine vorherzusagen und zu analysieren. Experimentelle Befunde aus Laborversuchen wurden dazu benutzt, die Genauigkeit der Homologie-Modelle zu erhöhen. Die Ergebnisse aus den Modellierungen wurden wiederum dazu benutzt, um neue experimentelle Versuche vorzuschlagen. Anhand der erstellten Modelle und bekannten Kristallstrukturen aus der Protein-Datenbank PDB wurde die Struktur-Funktionsbeziehung verschiedener Tyrosinasen untersucht. Dazu gehörten sowohl die Tyrosinase des Bakteriums Streptomyces als auch die Tyrosinase der Hausmaus. Aus den vergleichenden Strukturanalysen der Tyrosinasen resultierten Mechanismen für die Monophenolhydroxylase-Aktivität der Tyrosinasen sowie für den Import der Kupferionen ins aktive Zentrum. Es konnte der Beweis geführt werden, daß die Blockade des CuA-Zentrums tatsächlich der Grund für die unterschiedliche Aktivität von Tyrosinasen und Catecholoxidasen ist. Zum ersten Mal konnte mit der Maus-Tyrosinase ein vollständiges Strukturmodell einer Säugetier-Tyrosinase erstellt werden, das dazu in der Lage ist, die Mechanismen bekannter Albino-Mutationen auf molekularer Ebene zu erklären. Die auf der Basis des ermittelten 3D-Modells gewonnenen Erkenntnisse über die Wichtigkeit bestimmter Aminosäuren für die Funktion wurde durch gerichtete Mutagenese an der rekombinant hergestellten Maus-Tyrosinase getestet und bestätigt. Weiterhin wurde die Struktur der Tyrosinase des Krebses Palinurus elephas durch eine niedrigaufgelöste 3D-Rekonstruktion aus elektronenmikroskopischen Bildern aufgeklärt. Der zweite große Themenkomplex umfasst die Strukturanalyse der Lichtsammlerkomplexe LHCI-730 und LHCII. Im Falle des LHCII konnte der Oligomerisierungszustand der LHCMoleküle mit diskreten Konformationen des N-Terminus korreliert werden. Auch hier kam eine Kombination von Homologie-Modellierung und einer experimentellen Methode, der Elektronen-Spin-Resonanz-Messung, zum Einsatz. Die Änderung des Oligomerisierungszustands des LHCII kontrolliert den Energiezufluß zu den Photosystemen PS I und PS II. Des Weiteren wurde ein vollständiges Modell des LHCI-730 erstellt, um die Auswirkungen gerichteter Mutagenese auf das Dimerisierungsverhalten zu untersuchen. Auf Basis dieses Modells wurden die Wechselwirkungen zwischen den Monomeren Lhca1 und Lhca4 evaluiert und potentielle Bindungspartner identifiziert.

Die Verbindung von Kleinwinkelstreuung und in silico-Methodik zur Aufklärung von Konformationswechseln großer Proteinkomplexe

In dieser Dissertation wurden die Methoden Homologiemodellierung und Molekulardynamik genutzt, um die Struktur und das Verhalten von Proteinen in Lösung zu beschreiben. Mit Hilfe der Röntgenkleinwinkelstreuung wurden die mit den Computermethoden erzeugten Vorhersagen verifiziert. Für das alpha-Hämolysin, ein Toxin von Staphylococcus aureus, das eine heptamere Pore formen kann, wurde erstmalig die monomere Struktur des Protein in Lösung beschrieben. Homologiemodellierung auf Basis verwandter Proteine, deren monomere Struktur bekannt war, wurde verwendet, um die monomere Struktur des Toxins vorherzusagen. Flexibilität von Strukturelementen in einer Molekulardynamiksimulation konnte mit der Funktionalität des Proteines korreliert werden: Intrinsische Flexibilität versetzt das Protein in die Lage den Konformationswechsel zur Pore nach Assemblierung zu vollziehen. Röntgenkleinwinkelstreuung bewies die Unterschiede der monomeren Struktur zu den Strukturen der verwandten Proteine und belegt den eigenen Vorschlag zur Struktur. Überdies konnten Arbeiten an einer Mutante, die in einer sogenannten Präporenkonformation arretiert und nicht in der Lage ist eine Pore zu formen, zeigen, dass dieser Übergangszustand mit der Rotationsachse senkrecht zur Membran gelagert ist. Eine geometrische Analyse beweist, dass es sterisch möglich ist ausgehend von dieser Konformation die Konformation der Pore zu erreichen. Eine energetische und kinetische Analyse dieses Konformationswechsels steht noch aus. Ein weiterer Teil der Arbeit befasst sich mit den Konformationswechseln von Hämocyaninen. Diese wurden experimentell mittels Röntgenkleinwinkelstreuung verfolgt. Konformationswechsel im Zusammenhang mit der Oxygenierung konnten für die 24meren Hämocyanine von Eurypelma californicum und Pandinus imperator beschrieben werden. Für eine Reihe von Hämocyaninen ist nachgewiesen, dass sie unter Einfluss des Agenz SDS Tyrosinaseaktivität entfalten können. Der Konformationswechsel der Hämocyanine von E. californicum und P. imperator bei der Aktivierung zur Tyrosinase mittels SDS wurde experimentell bestätigt und die Stellung der Dodekamere der Hämocyanine als wesentlich bei der Aktivierung festgestellt. Im Zusammenhang mit anderen Arbeiten gilt damit die Relaxierung der Struktur unter SDS-Einfluss und der sterische Einfluss auf die verbindenden Untereinheiten b & c als wahrscheinliche Ursache für die Aktivierung zur Tyrosinase. Eigene Software zum sogenannten rigid body-Modellierung auf der Basis von Röntgenkleinwinkelstreudaten wurde erstellt, um die Streudaten des hexameren Hämocyanins von Palinurus elephas und Palinurus argus unter Einfluss der Effektoren Urat und Koffein strukturell zu interpretieren. Die Software ist die erste Implementierung eines Monte Carlo-Algorithmus zum rigid body-Modelling. Sie beherrscht zwei Varianten des Algorithmus: In Verbindung mit simulated annealing können wahrscheinliche Konformationen ausgefiltert werden und in einer anschließenden systematischen Analyse kann eine Konformation geometrisch beschrieben werden. Andererseits ist ein weiterer, reiner Monte Carlo-Algorithmus in der Lage die Konformation als Dichteverteilung zu beschreiben.

3D-electron microscopy of different conformations of cephalopod hemocyanins

Die Hämocyanine der Cephalopoden Nautilus pompilius und Sepia officinalis sorgen für den Sauerstofftransport zwischen den Kiemen und den Geweben. Sie bestehen aus einem zylindrischen Dekamer mit interner Kragenstruktur. Während eine Untereinheit (also eine Polypeptidkette) bei NpH aus sieben paralogen funktionellen Domänen (FU-a bis FU-g) besteht, führte ein Genduplikationsereignis der FU-d zu acht FUs in SoH (a, b, c, d, d´, e, f, g). In allen Mollusken Hämocyaninen bilden sechs dieser FUs den äußeren Ring und die restlichen die interne Kragenstruktur. rnrnIn dieser Arbeit wurde ein dreidimensionales Modell des Hämocyanins von Sepia officinalis (SoH) erstellt. Die Rekonstruktion, mit einer Auflösung von 8,8Å (FSC=0,5), erlaubt das Einpassen von Homolologiemodellen und somit das Erstellen eines molekularen Modells mit pseudo atomarer Auflösung. Des Weiteren wurden zwei Rekonstruktionen des Hämocyanins von Nautilus pompilius (NpH) in verschiedenen Oxygenierungszuständen erstellt. Die auf 10 und 8,1Å aufgelösten Modelle zeigen zwei verschiedene Konformationen des Proteins. Daraus ließ sich eine Modellvorstellung über die allosterische Funktionsweise ableiten. Die hier erreichte Auflösung von 8Å ist die momentan höchste eines Molluskenhämocyanins. rnAuf Grundlage des molekularen Modells von SoH konnte die Topologie des Proteins aufgeklärt werden. Es wurde gezeigt, dass die zusätzliche FU-d´ in den Kragen integriert ist und somit die prinzipielle Wandarchitektur aller Mollusken Hämocyanine identisch ist. Wie die Analyse des erstellten molekularen Modells zeigt werden sind die beiden Isoformen (SoH1 und SoH2) in den Bereichen der Interfaces nahezu identisch; auch der Vergleich mit NpH zeigt grosse Übereinstimmungen. Des weiteren konnte eine Fülle von Informationen bezüglich der allosterischen Signalübertragung innerhalb des Moleküls gewonnen werden. rnDer Versuch, NpH in verschiedenen Oxygenierungszuständen zu zeigen, war erfolgreich. Die Datensätze, die unter zwei atmosphärischen Bedingungen präpariert wurden, führten reproduzierbar zu zwei unterschiedlichen Rekonstruktionen. Dies zeigt, daß der hier entwickelte experimentelle Ansatz funktioniert. Er kann nun routinemäßig auf andere Proteine angewandt werden. Wie der strukturelle Vergleich zeigte, verändert sich die Orientierung der FUs durch die Oxygenierung leicht. Dies wiederum beeinflusst die Anordnung innerhalb der Interfaces sowie die Abstände zwischen den beteiligten Aminosäuren. Aus dieser Analyse konnte eine Modellvorstellung zum allosterischen Signaltransfer innerhalb des Moleküls abgeleitet werden, die auf einer Umordnung von Salzbrücken basiert.

Die Kristallstruktur zweier Atmungsproteine: das Hämoglobin des Meerschweinchens und das 24-mere Hämocyanin des Kaiserskorpions

Im Verlauf der vorgestellten Arbeit konnten die Kristallstrukturen zweier Atmungsproteine gelöst werden. Da diese Strukturen mit verschiedenen Auflösungen gelöst wurden, wurden für die beiden Modelle unterschiedliche Methoden verwendet.rnrnDie Kristalle des Hämoglobins des Meerschweinchens Cavia porcellus erlaubten eine Messung von Streureflexen bis zu einer Auflösung von 1.7 Ǻ. Damit konnten das Molecular Replacement und das folgende Refinement mit geringen Vorgaben durchgeführt werden.rnAnhand der ermittelten Struktur konnte gezeigt werden, dass die Höhenadaptation des Hämoglobins des Meerschweinchens auf einer Stabilisierung des R2-Zustandes und einer gleichzeitigen Destabilisierung des T-Zustandes beruht. Die zu Grunde liegenden Aminosäureaustausche konnten identifiziert und der resultierende Mechanismus postuliert werden. Die Durchführung von Mutagenese-Experimenten am Hämoglobin des Meerschweinchens könnte die vorgestellte Hypothese bestätigen.rnrnDie Kristallstruktur des 24-meren Hämocyanins aus Pandinus imperator konnte durch eine Kombination von Röntgenkristallographie und Homologiemodellierung mit einer Auflösung von 6.5 Ǻ gelöst werden. Allerdings wäre die Bestimmung der Phasen durch Molecular Replacement ohne die vor kurzem publizierte Kryo-EM Struktur nicht möglich gewesen [Cong et al., 2009].rnDamit ist es durch die Kombination verschiedener Methoden erstmalig gelungen die Struktur eines Hämocyanins dieser Größe (Mw = 1.7 MDa) zu lösen. Die Auflösung von 6.5 Ǻ, eine für die Kristallographie relativ geringe Auflösung, erlaubte die Bestimmung des Cα-Traces des Proteins mit hoher Genauigkeit.rnDurch die Kristallstruktur konnte das zu Grunde liegende Kryo-EM Modell aus [Cong et al., 2009] bestätigt werden. Insbesondere die Position der α-Helices konnte mittels Kristallographie mit einer höheren Genauigkeit bestimmt werden. Durch die Verwendung von OMIT-Maps wurde sichergestellt, dass die Struktur nicht "kopiert" wurde. Die Übereinstimmung ist deshalb auf die Struktur des Hämocyanins im gemessenen Kristall zurückzuführen, nicht auf einen Bias bei der Auswertung.rnAnhand der Kristallstruktur konnten für die Kooperativität im Trimer potentiell entscheidende Aminosäuren identifiziert werden. Diese Aminosäuren könnten im Vergleich zur bekannten trimeren Struktur aus Limulus polyphemus zur Ausbildung zusätzlicher Bindungen zwischen den Untereinheiten führen. Diese Bindungen könnten eine wichtige Rolle beim Konformationsübergang zwischen dem T- und R-Zustand spielen.rn