Learning HMMs for nucleotide sequences from amino acid alignments

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

MicroRNA-499 expression distinctively correlates to target genes sox6 and rod1 profiles to resolve the skeletal muscle phenotype in nile tilapia

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

Polymorphic toxin systems: Comprehensive characterization of trafficking modes, processing, mechanisms of action, immunity and ecology using comparative genomics

Background: Proteinaceous toxins are observed across all levels of inter-organismal and intra-genomic conflicts. These include recently discovered prokaryotic polymorphic toxin systems implicated in intra-specific conflicts. They are characterized by a remarkable diversity of C-terminal toxin domains generated by recombination with standalone toxin-coding cassettes. Prior analysis revealed a striking diversity of nuclease and deaminase domains among the toxin modules. We systematically investigated polymorphic toxin systems using comparative genomics, sequence and structure analysis. Results: Polymorphic toxin systems are distributed across all major bacterial lineages and are delivered by at least eight distinct secretory systems. In addition to type-II, these include type-V, VI, VII (ESX), and the poorly characterized "Photorhabdus virulence cassettes (PVC)", PrsW-dependent and MuF phage-capsid-like systems. We present evidence that trafficking of these toxins is often accompanied by autoproteolytic processing catalyzed by HINT, ZU5, PrsW, caspase-like, papain-like, and a novel metallopeptidase associated with the PVC system. We identified over 150 distinct toxin domains in these systems. These span an extraordinary catalytic spectrum to include 23 distinct clades of peptidases, numerous previously unrecognized versions of nucleases and deaminases, ADP-ribosyltransferases, ADP ribosyl cyclases, RelA/SpoT-like nucleotidyltransferases, glycosyltranferases and other enzymes predicted to modify lipids and carbohydrates, and a pore-forming toxin domain. Several of these toxin domains are shared with host-directed effectors of pathogenic bacteria. Over 90 families of immunity proteins might neutralize anywhere between a single to at least 27 distinct types of toxin domains. In some organisms multiple tandem immunity genes or immunity protein domains are organized into polyimmunity loci or polyimmunity proteins. Gene-neighborhood-analysis of polymorphic toxin systems predicts the presence of novel trafficking-related components, and also the organizational logic that allows toxin diversification through recombination. Domain architecture and protein-length analysis revealed that these toxins might be deployed as secreted factors, through directed injection, or via inter-cellular contact facilitated by filamentous structures formed by RHS/YD, filamentous hemagglutinin and other repeats. Phyletic pattern and life-style analysis indicate that polymorphic toxins and polyimmunity loci participate in cooperative behavior and facultative 'cheating' in several ecosystems such as the human oral cavity and soil. Multiple domains from these systems have also been repeatedly transferred to eukaryotes and their viruses, such as the nucleo-cytoplasmic large DNA viruses. Conclusions: Along with a comprehensive inventory of toxins and immunity proteins, we present several testable predictions regarding active sites and catalytic mechanisms of toxins, their processing and trafficking and their role in intra-specific and inter-specific interactions between bacteria. These systems provide insights regarding the emergence of key systems at different points in eukaryotic evolution, such as ADP ribosylation, interaction of myosin VI with cargo proteins, mediation of apoptosis, hyphal heteroincompatibility, hedgehog signaling, arthropod toxins, cell-cell interaction molecules like teneurins and different signaling messengers.

Evolutionary history of exon shuffling

Exon shuffling has been characterized as one of the major evolutionary forces shaping both the genome and the proteome of eukaryotes. This mechanism was particularly important in the creation of multidomain proteins during animal evolution, bringing a number of functional genetic novelties. Here, genome information from a variety of eukaryotic species was used to address several issues related to the evolutionary history of exon shuffling. By comparing all protein sequences within each species, we were able to characterize exon shuffling signatures throughout metazoans. Intron phase (the position of the intron regarding the codon) and exon symmetry (the pattern of flanking introns for a given exon or block of adjacent exons) were features used to evaluate exon shuffling. We confirmed previous observations that exon shuffling mediated by phase 1 introns (1-1 exon shuffling) is the predominant kind in multicellular animals. Evidence is provided that such pattern was achieved since the early steps of animal evolution, supported by a detectable presence of 1-1 shuffling units in Trichoplax adhaerens and a considerable prevalence of them in Nematostella vectensis. In contrast, Monosiga brevicollis, one of the closest relatives of metazoans, and Arabidopsis thaliana, showed no evidence of 1-1 exon or domain shuffling above what it would be expected by chance. Instead, exon shuffling events are less abundant and predominantly mediated by phase 0 introns (0-0 exon shuffling) in those non-metazoan species. Moreover, an intermediate pattern of 1-1 and 0-0 exon shuffling was observed for the placozoan T. adhaerens, a primitive animal. Finally, characterization of flanking intron phases around domain borders allowed us to identify a common set of symmetric 1-1 domains that have been shuffled throughout the metazoan lineage.

Molecular bases, pathogenic mechanisms and possible therapeutic approach in Leber's Hereditary Optic Neuropathy

Leber’s hereditary optic neuropathy (LHON) is a mitochondrial disease characterized by a rapid loss of central vision and optic atrophy, due to the selective degeneration of retinal ganglion cells. The age of onset is around 20, and the degenerative process is fast and usually the second eye becomes affected in weeks or months. Even if this pathology is well known and has been well characterized, there are still open questions on its pathophysiology, such as the male prevalence, the incomplete penetrance and the tissue selectivity. This maternally inherited disease is caused by mutations in mitochondrial encoded genes of NADH ubiquinone oxidoreductase (complex I) of the respiratory chain. The 90% of LHON cases are caused by one of the three common mitochondrial DNA mutations (11778/ND4, 14484/ND6 and 3460/ND1) and the remaining 10% is caused by rare pathogenic mutations, reported in literature in one or few families. Moreover, there is also a small subset of patients reported with new putative pathogenic nucleotide changes, which awaits to be confirmed. We here clarify some molecular aspects of LHON, mainly the incomplete penetrance and the role of rare mtDNA mutations or variants on LHON expression, and attempt a possible therapeutic approach using the cybrids cell model. We generated novel structural models for mitochondrial encoded complex I subunits and a conservation analysis and pathogenicity prediction have been carried out for LHON reported mutations. This in-silico approach allowed us to locate LHON pathogenic mutations in defined and conserved protein domains and can be a useful tool in the analysis of novel mtDNA variants with unclear pathogenic/functional role. Four rare LHON pathogenic mutations have been identified, confirming that the ND1 and ND6 genes are mutational hot spots for LHON. All mutations were previously described at least once and we validated their pathogenic role, suggesting the need for their screening in LHON diagnostic protocols. Two novel mtDNA variants with a possible pathogenic role have been also identified in two independent branches of a large pedigree. Functional studies are necessary to define their contribution to LHON in this family. It also been demonstrated that the combination of mtDNA rare polymorphic variants is relevant in determining the maternal recurrence of myoclonus in unrelated LHON pedigrees. Thus, we suggest that particular mtDNA backgrounds and /or the presence of specific rare mutations may increase the pathogenic potential of the primary LHON mutations, thereby giving rise to the extraocular clinical features characteristic of the LHON “plus” phenotype. We identified the first molecular parameter that clearly discriminates LHON affected individuals from asymptomatic carriers, the mtDNA copy number. This provides a valuable mechanism for future investigations on variable penetrance in LHON. However, the increased mtDNA content in LHON individuals was not correlated to the functional polymorphism G1444A of PGC-1 alpha, the master regulator of mitochondrial biogenesis, but may be due to gene expression of genes involved in this signaling pathway, such as PGC-1 alpha/beta and Tfam. Future studies will be necessary to identify the biochemical effects of rare pathogenic mutations and to validate the novel candidate mutations here described, in terms of cellular bioenergetic characterization of these variants. Moreover, we were not able to induce mitochondrial biogenesis in cybrids cell lines using bezafibrate. However, other cell line models are available, such as fibroblasts harboring LHON mutations, or other approaches can be used to trigger the mitochondrial biogenesis.

Zugänglichkeit einzelner Domänen des Lichtsammelkomplexes LHCII

Das Membranprotein LHCII ist ein Lichtsammelkomplex der höheren Pflanzen, der in vitro, ausgehend von bakteriell überexprimiertem Apoprotein, als Monomer und als Trimer rekonstituiert werden kann. Um Strukturunterschiede zwischen Monomeren und Trimeren zu bestimmen, wurden ortsspezifische Derivatisierungen des Proteins durchgeführt. Dazu wurden verschiedene Mutationen am LHCII vorgenommen. Das einzige Cystein des nativen, maturen LHCII wurde zunächst in ein Serin umgewandelt. Ausgehend von dieser Mutante wurden an fünf Positionen singuläre Cysteine eingefügt. Zugänglichkeitsuntersuchungen mit dem thiolreaktiven Farbstoff Rhodamine Red-Maleimid zeigten zum Teil Unterschiede zwischen Monomeren und Trimeren auf. Außerdem deutete eine zweiphasige Markierungskinetik eines der rekombinanten LHCII auf mindestens zwei konformelle Populationen in Detergenslösung. Die Beobachtungen dieser Arbeit wurden zudem genutzt, um im Strukturmodell des LHCII unklare Positionen näher zu beschreiben. Schließlich wurden einige der LHCII mit angekoppeltem Fluoreszenzfarbstoff spektroskopisch charakterisiert.

Identifizierung und Charakterisierung von Interaktionspartnern des synaptischen Vesikelproteins Synaptophysin

Die neuronale Signalübertragung beruht auf dem synaptischen Vesikelzyklus, der durch das koordinierte Zusammenspiel von circa 400 verschiedenen Proteinen reguliert wird. Eines der Hauptproteine des synaptischen Vesikels ist Synaptophysin (SYP), das zu den tetraspan vesicle membrane proteins (TVPs) gehört. Es wird vermutet, dass es zahlreiche Funktionen der Exo- und Endozytose moduliert, wenngleich die zugrunde liegenden molekularen Mechanismen bisher größtenteils unverstanden sind. Ziel der Arbeit war daher die Identifizierung von Interaktionspartnern von SYP, um zum Verständnis der vielen ungeklärten Prozesse im synaptischen Vesikelzyklus beizutragen. Mit dem Split-Ubiquitin Yeast Two-Hybrid System, das eine direkte in vivo Interaktion von Membranproteinen erlaubt, konnten in der vorliegenden Arbeit bekannte, aber auch neue SYP-Bindungspartner identifiziert werden. Ein bekannter Interaktionspartner war Synaptobrevin2 (SYB2), das zu den stärksten im Split-Ubiquitin Y2H System identifizierten Bindeproteinen zählt. Zu den neuen starken SYP-Interaktionspartnern gehören die TVPs Synaptogyrin3 (SYNGR3) und SCAMP1. Somit konnten erstmals heterophile Interaktionen zwischen den verschiedenen TVP-Genfamilien nachgewiesen werden, die für eine universelle Funktion der TVPs sprechen. Die Validierung der im Split-Ubiquitin Y2H System ermittelten Interaktionspartner wurde auf eine Auswahl von Proteinen beschränkt, die vermutlich am synaptischen Vesikelzyklus beteiligt sind. Dabei konnte eine immunhistologische Kolokalisierung von SYP mit SYB2, SYNGR3, SCAMP1, Stathmin-like3 (STMN3), Rho family GTPase2 (RND2), Phospholipid transfer protein, Vesicle transport through interaction with t-SNAREs 1B homolog, Arfaptin2 und Profilin1 in den Synapsen-reichen Schichten der Retina beobachtet werden. Die SYP/SYB2- und SYP/SYNGR3-Komplexe konnten zudem sowohl aus Synaptosomen-Lysat als auch aus cDNA-transfizierten Epithelzellen koimmunpräzipitiert werden, wohingegen dies für die anderen Interaktionspartner nicht gelang. Da Koimmunpräzipitation die Struktur der Proteine durch Solubilisierung mit Detergenzien beeinflusst, wurden die in der Hefe beobachteten Interaktionen noch mittels Fluoreszenz-Resonanz-Energie-Transfer überprüft, mit dem Proteinwechselwirkungen in der nativen Umgebung nachgewiesen werden können. Ein positives FRET-Signal konnte für SYP mit SYB2, SYP, SYNGR3, SCAMP1, STMN3, RND2 und Arfaptin2 detektiert werden, lediglich für SYP mit Phospholipase D4 (PLD4) gelang dieser Nachweis nicht. Ferner zeigten FRET-Analysen von Synaptophysin-Mutanten, dass der zytoplasmatische C-Terminus für die Interaktion mit zytoplasmatischen und membranassoziierten Proteinen benötigt wird. Durch in vivo FRET-Studien mit der SH2-Domäne der Src-Kinase, die an phosphorylierte Tyrosine bindet, konnte eine Tyrosin-Phosphorylierung des zytoplasmatischen C-Terminus von Synaptophysin und von Synaptogyrin3 detektiert werden. Viele der neu identifizierten Synaptophysin-Interaktionspartner sind im Lipid-Metabolismus involviert. Vermutlich rekrutiert der zytoplasmatische und durch Phosphorylierung modifizierbare C-Terminus diese Partner in spezifische Lipoproteindomänen, die an der Feinabstimmung der synaptischen Vesikelendo- und -exozytose beteiligt sind.

Ursachen der unterschiedlichen Oligomerisierung von Lichtsammelproteinen

Die verschiedenen Lichtsammelproteine (Lhc-Proteine) höherer Pflanzen unterscheiden sich im Oligomerisierungsverhalten. Im Photosystem II existieren 6 Lhc-Proteine, die entweder die monomeren Lichtsammelkomplexe (LHC) CP24 (Lhcb6), CP26 (Lhcb5) und CP29 (Lhcb4) oder den trimeren LHCII (Lhcb1, Lhcb2 und Lhcb3) bilden. Im Photosystem I sind laut Kristallstruktur vier Lhc-Proteine lokalisiert, die als Heterodimere organisiert vorliegen. Der schwerpunktmäßig untersuchte LHCI-730 setzt sich aus Lhca1 und Lhca4 zusammen, während der LHCI-680 aus Lhca2 und Lhca3 besteht. Das Ziel der Arbeit bestand in der Identifizierung der für das unterschiedliche Oligomerisierungsverhalten verantwortlichen Proteinbereiche und Aminosäuren. Die für diese Arbeit generierten Consensussequenzalignments verschiedener Lhca- und Lhcb-Proteine vieler Arten unterstützen die Folgerungen aus Strukturdaten und anderen Sequenzalignments, dass den LHCs eine gemeinsame Monomerstruktur zu Grunde liegt. Die Helices 1 und 3 weisen weitgehend sehr hohe Sequenzidentitäten auf, während die N- und C-Termini, die zwei Schleifenregionen und die Helix 2 nur schwach konserviert sind. Falls die Bereiche mit hoher Sequenzübereinstimmung für das Zustandekommen ähnlicher monomerer LHC-Strukturen verantwortlich sind, könnten in den schwach konservierten Domänen die Ursachen für das unterschiedliche Oligomerisierungsverhalten lokalisiert sein. Aufgrund dessen wurden die schwach konservierten Domänen des monomerisierenden Lhcb4, des mit dem Lhca1 dimerisierenden Lhca4 und des Trimere bildenden Lhcb1 gegen die entsprechenden Domänen der anderen Proteine ausgetauscht und bezüglich ihres Oligomerisierungsverhaltens untersucht. Im Lhca4 konnten mit der Helix 2 und der stromalen Schleife zwei für eine Heterodimerisierung essentielle Domänen gefunden werden. Im Lhcb1 waren neben dem N-Terminus auch die 2. Helix und die stromale Schleifendomäne unentbehrlich für eine Trimerisierung. Zusätzlich waren Dimerisierung und Trimerisierung bei Austausch der luminalen Schleife beeinträchtigt. Ein geringer Beitrag zur Lhcb1-Trimerisierung konnte auch für den C-Terminus belegt werden. Ein zusätzliches Ziel der Arbeit sollte der Transfer der Oligomerisierungseigenschaften durch umfangreichen Domänentausch von einem auf ein anderes Protein sein. Der Transfer der Fähigkeit zur Dimerbildung durch Substitution gegen essentielle Lhca4-Domänen (50% luminale Schleife, 100% Helix 2 und 100% stromale Schleife) gelang beim Lhcb4, nicht aber beim Lhcb1. Der Transfer der Trimerisierungsfähigkeit auf Lhca4 und Lhcb4 scheiterte. Eine Lhca1-Mutante mit allen für eine Dimerisierung essentiellen Lhca4-Domänen, die durch Interaktion einzelner Moleküle untereinander multimere LHCs bilden sollte, war bereits in ihrer Monomerbildung beeinträchtigt. Eine Übertragung der Oligomerisierungsfähigkeit auf andere Proteine durch massiven Domänentransfer gestaltete sich somit schwierig, da vermutlich im mutierten Protein immer noch ursprüngliche Tertiärstrukturanteile enthalten waren, die nicht mit den transferierten Proteinbestandteilen kompatibel sind. Bei zukünftigen Experimenten zur Klärung der Transferierbarkeit der Oligomerisierungseigenschaft sollten deswegen neben dem unberücksichtigten 1. Teil der luminalen Schleife auch wenig konservierte Aminosäuren in der 1. und 3. Helix Beachtung finden. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war es, die LHCI-730-Dimerisierung im Detail zu untersuchen. Mutationsanalysen bestätigten den von früheren Untersuchungen bekannten Einfluss des Isoleucins 103 und Histidins 99. Letzteres geht möglicherweise durch sein gebundenes Chlorophyll eine Interaktion mit dem Lhca1 ein. Das Phenylalanin 95 stellte sich ebenfalls als ein wichtiger Interaktionspartner heraus und könnte in Wechselwirkung mit einem zwischen Lhca1 und Lhca4 lokalisierten Phosphatidylglycerin treten. Das ebenfalls an der Dimerbildung beteiligte Serin 88 des Lhca4 könnte auf Grund der räumlichen Nähe bei Modellierungen direkt mit dem am C-Terminus des Lhca1 lokalisierten Glycin 190 interagieren. Darüber hinaus wurde ein in der luminalen Lhca4-Schleife lokalisiertes Phenylalanin 84 als Interaktionspartner des Tryptophans 185 im C-Terminus von Lhca1 identifiziert. Der simultane Austausch des Isoleucins 109 und Lysins 110 in der stromalen Schleife des Lhca4, konnte deren Einfluss auf die Dimerisierung belegen. Nachdem bislang an der Dimerbildung beteiligte Aminosäuren am N- und C-Terminus des Lhca1 und Lhca4 identifiziert werden konnten, wurden in dieser Arbeit viele an einer Dimerbildung beteiligten Proteinbereiche und Aminosäuren in der Helix 2 und den Schleifenregionen des Lhca4 identifiziert. Um alle an der Lhca1-Lhca4-Interaktion beteiligten Aminosäuren aufzuklären, müssten durch Mutationsanalysen die in der stromalen Lhca4-Schleife vermuteten Interaktionspartner des für die Dimerisierung wichtigen Tryptophans 4 am N-Terminus von Lhca1 identifiziert, und die in der Helix 3 des Lhca1 vermuteten Interaktionspartner der Helix 2 des Lhca4 ermittelt werden.

Untersuchung der Struktur und Assemblierung des Lichtsammelkomplexes II höherer Pflanzen mittels elektronenparamagnetischer Resonanz (EPR)

Der Haupt-Lichtsammelkomplex (LHCII) des Photosyntheseapparates höherer Pflanzen gehört zu den häufigsten Membranproteinen der Erde. Seine Kristallstruktur ist bekannt. Das Apoprotein kann rekombinant in Escherichia coli überexprimiert und somit molekularbiologisch vielfältig verändert werden. In Detergenzlösung besitzt das denaturierte Protein die erstaunliche Fähigkeit, sich spontan zu funktionalen Protein-Pigment-Komplexen zu organisieren, welche strukturell nahezu identisch sind mit nativem LHCII. Der Faltungsprozess findet in vitro im Zeitbereich von Sekunden bis Minuten statt und ist abhängig von der Bindung der Cofaktoren Chlorophyll a und b sowie verschiedenen Carotinoiden.rn Diese Eigenschaften machen LHCII besonders geeignet für Strukturuntersuchungen mittels der elektronenparamagnetischen Resonanz (EPR)-Spektrokopie. Diese setzt eine punktspezifische Spinmarkierung des LHCII voraus, die in dieser Arbeit zunächst optimiert wurde. Einschließlich der Beiträge Anderer stand eine breite Auswahl von über 40 spinmarkierten Mutanten des LHCII bereit, einen N-terminalen „Cys walk“ eingeschlossen. Weder der hierfür notwendige Austausch einzelner Aminosäuren noch die Anknüpfung des Spinmarkers beeinträchtigten die Funktion des LHCII. Zudem konnte ein Protokoll zur Präparation heterogen spinmarkierter LHCII-Trimere entwickelt werden, also von Trimeren, die jeweils nur ein Monomer mit einer Spinmarkierung enthalten.rn Spinmarkierte Proben des Detergenz-solubilisierten LHCII wurden unter Verwendung verschiedener EPR-Techniken strukturell analysiert. Als besonders aussagekräftig erwies sich die Messung der Wasserzugänglichkeit einzelner Aminosäurepositionen anhand der Electron Spin Echo Envelope Modulation (ESEEM). In Kombination mit der etablierten Double Electron-Electron Resonance (DEER)-Technik zur Detektion von Abständen zwischen zwei Spinmarkern wurde der membranständige Kernbereich des LHCII in Lösung eingehend untersucht und strukturell der Kristallstruktur für sehr ähnlich befunden. Die Vermessung kristallographisch nicht erfasster Bereiche nahe dem N-Terminus offenbarte die schon früher detektierte Strukturdynamik der Domäne in Abhängigkeit des Oligomerisierungsgrades. Der neue, noch zu vervollständigende Datensatz aus Abstandsverteilungen und ESEEM-Wasserzugänglichkeiten monomerer wie trimerer Proben sollte in naher Zukunft die sehr genaue Modellierung der N-terminalen Domäne des LHCII ermöglichen.rn In einem weiteren Abschnitt der Arbeit wurde die Faltung des LHCII-Apoproteins bei der LHCII-Assemblierung in vitro untersucht. Vorausgegangene fluoreszenzspektroskopi-sche Arbeiten hatten gezeigt, dass die Bindung von Chlorophyll a und b in aufeinanderfolgenden Schritten im Zeitbereich von weniger als einer Minute bzw. mehreren Minuten erfolgten. Sowohl die Wasserzugänglichkeit einzelner Aminosäurepositionen als auch Spin-Spin-Abstände änderten sich in ähnlichen Zeitbereichen. Die Daten deuten darauf hin, dass die Ausbildung der mittleren Transmembran-Helix mit der schnelleren Chlorophyll-a-Bindung einhergeht, während sich die Superhelix aus den beiden anderen Transmembranhelices erst im langsameren Schritt, zusammen mit der Chlorophyll-b-Bindung, ausbildet.rn

Suche nach Zielgenen des T-Box-Transkriptionsfaktors Optomotor-blind aus Drosophila melanogaster

Zusammenfassung:rnrnDas Ziel der Arbeit bestand darin mehr über die Funktion des T-Box Transkriptionsfaktors Omb zu erfahren. Dm omb ist der nächste Verwandte zu Hs Tbx2/3, die wegen ihrer Rolle bei verschiedenen Krebsarten für die Entwicklung neuer Therapien bedeutsam sind. rnIn drei, von Herrn Pflugfelder hergestellten, omb Allelen l(1)omb282, l(1)omb12, l(1)omb15 wurden neue Mutationen kartiert. Dabei handelt es sich um zwei missense-Mutationen und eine Stopmutation. Sie betreffen Aminosäurereste, die in allen T-Box Proteinen konserviert sind und daher vermutlich lebenswichtige Proteinabschnitte betreffen. In EMSA Versuchen konnte gezeigt werden, dass die missense-Mutationen die DNA-Bindung des Omb-T Proteins verhindern.rnFür die Suche nach Omb Zielgenen wurden Gene und phylogenetisch konservierte TBE-Genabschnitte auf ihre Regulation durch Omb getestet. Dabei wurde das Expressionsmuster von Genen mitels in situ und das Muster von enhancer getriebener β-Gal Expression histochemisch oder durch Immunfärbung von wildtypischen und l(1)omb15 Larven des dritten Stadiums verglichen. rnUpstream der mirr Transkriptionseinheit wurde ein cis-regulatorisches TBE-Fragment identifiziert, das ein Aktivitätsmuster in Flügelimaginalscheiben zeigte, welches dem von Mirr nahe kommt. Sowohl ein Omb Verlust als auch die Mutation der TBE Sequenz führten zu einer ähnlichen ektopischen Aktivierung des Fragments, was auf eine Abhängigkeit von Omb hinweist. rnIn der intronischen Sequenz von inv wurde ebenfalls ein TBE-Fragment entdeckt, das eine β-Gal-Aktivität in Flügelscheiben des späten L3 Stadiums anterior der A/P Grenze zeigte. Diese Expression könnte sich mit der späten für en/inv beschriebenen Expression (Blair, 1992) decken. Immunfärbungen bestätigten, dass der Verlust dieser Aktivität in omb0 tatsächlich durch den Verlust von Omb hervorgerufen wird und nicht durch eine Entwicklungsverzögerung der Larven verursacht wird.rnSchließlich wurde durch die Reparatur von TBX Expressionsvektoren eine Konstruktreihe (Legler, 2010) fertiggestellt, mit deren Hilfe die Auswirkungen einer Überexpression auf die Zellmotilität in Drosophila untersucht werden kann. Das soll helfen den Einfluss von TBX Proteinen auf die Invasivität von Krebszellen zu verstehen.rn

Structural model of the CopA copper ATPase of Enterococcus hirae based on chemical cross-linking

The CopA copper ATPase of Enterococcus hirae belongs to the family of heavy metal pumping CPx-type ATPases and shares 43% sequence similarity with the human Menkes and Wilson copper ATPases. Due to a lack of suitable protein crystals, only partial three-dimensional structures have so far been obtained for this family of ion pumps. We present a structural model of CopA derived by combining topological information obtained by intramolecular cross-linking with molecular modeling. Purified CopA was cross-linked with different bivalent reagents, followed by tryptic digestion and identification of cross-linked peptides by mass spectrometry. The structural proximity of tryptic fragments provided information about the structural arrangement of the hydrophilic protein domains, which was integrated into a three-dimensional model of CopA. Comparative modeling of CopA was guided by the sequence similarity to the calcium ATPase of the sarcoplasmic reticulum, Serca1, for which detailed structures are available. In addition, known partial structures of CPx-ATPase homologous to CopA were used as modeling templates. A docking approach was used to predict the orientation of the heavy metal binding domain of CopA relative to the core structure, which was verified by distance constraints derived from cross-links. The overall structural model of CopA resembles the Serca1 structure, but reveals distinctive features of CPx-type ATPases. A prominent feature is the positioning of the heavy metal binding domain. It features an orientation of the Cu binding ligands which is appropriate for the interaction with Cu-loaded metallochaperones in solution. Moreover, a novel model of the architecture of the intramembranous Cu binding sites could be derived.

Elucidation of the role of 53BP1 in DNA double strand break (DSB) repair and tumor suppression

The protein p53 binding protein one (53BP1) was discovered in a yeast two-hybrid screen that used the DNA binding domain of p53 as bait. Cloning of full-length 53BP1 showed that this protein contains several protein domains which help make up the protein, which include two tandem BRCT domains and a amino-terminal serine/glutamine cluster domain (SCD). These are two protein domains are often seen in factors that are involved in the cellular response to DNA damage and control of cell cycle checkpoints and we hypothesize that 53BP1 is involved in the cellular response to DNA damage. In support of this hypothesis we observe that 53BP1 is phosphorylated and undergoes a dramatic nuclear re-localization in response to DNA damaging agents. 53BP1 also interacts with several factors that are important in the cellular response to DNA damage, such as the BRCA1 tumor suppressor, ATM and Rad3 related (ATR), and the phosphorylated version of the histone variant H2AX. Mice deficient in 53BP1 display increased sensitivity ionizing radiation (IR), a DNA damaging agent that introduces DNA double strand breaks (DSBs). In addition, 53BP1-deficient mice do not properly undergo the process of class switch recombination (CSR). We also observe that when a defect in 53BP1 is combined with a defect in p53; the resulting mice have an increased rate of formation of spontaneous tumors, notably the formation of B and T lineage lymphomas. The T lineage tumors arise by two distinct mechanisms: one driven by defects in cell cycle regulation and a second driven by defects in the ability to repair DNA DSBs. The B lineage tumors arise by the inability to repair DNA damage and over-expression of the oncogene c-myc. ^ With these observations, we conclude that not only does 53BP1 function in the cellular response to DNA damage, but it also works in concert with p53 to suppress tumor formation. ^

MUTATIONS IN STAT3 ASSOCIATED WITH HUMAN HYPER IgE SYNDROME ENHANCE NFκB AND MAPK-MEDIATED GENE EXPRESSION

Hyper IgE syndrome (HIES) is a multisystem disorder resulting in bone and immune system abnormalities. It is associated with mutations in STAT3, which disrupt protein domains responsible for transcriptional function. Patients with HIES display osteoporosis and enhanced inflammatory cytokine production similar to hematopoietic Stat3-deficient mice. Since osteoclast and inflammatory cytokine genes are NFκB targets, these observations indicate a possible deregulation of NFκB signaling in both mice and humans with STAT3-deficiency. Here, we sought to examine the role of STAT3 in the regulation of NFκB-mediated gene expression through analysis of three HIES STAT3 point mutations in both hematopoietic and non- hematopoietic cells. We found that IL-6-induced tyrosine phosphorylation of STAT3 was partially or completely abrogated by HIES mutations in the transactivation domain (V713L) or SH2 domain (V637M), respectively, in both hematopoietic and non- hematopoietic cells. By contrast, IL-6-induced tyrosine phosphorylation of an HIES mutant in the STAT3 DNA-binding domain (R382W) was intact. The R382W and V713L mutants significantly reduced IL-6-dependent STAT3 transcriptional activity in reporter gene assays. Moreover, the R382W and V637M mutants significantly diminished IL-6-responsive expression of the endogenous STAT3 target gene, Socs3, as assessed by quantitative real-time PCR (qPCR) in the RAW macrophage cell line. These observations indicate the HIES mutants dominantly suppress the transcriptional activity of wild type STAT3, albeit to varying degrees. All three HIES mutants enhanced LPS-induced expression of the NFκB target genes IL6 (IL-6), Cxcl10 (IP- 10), and Tnf (TNFα) in RAW cells, as indicated by qPCR. Furthermore, overexpression of wild type STAT3 in Stat3-deficient murine embryonic fibroblasts significantlyreduced LPS-stimulated expression of IL6, Cxcl10, and IL12p35. In addition, in aprimary murine osteoclast differentiation assay, a STAT3-specific SH2 domain inhibitor led to significantly increased levels of osteoclast-specific gene expression. These results suggest that STAT3 serves as a negative regulator of NFκB-mediated gene expression, and furthermore imply that STAT3 mutations associated with HIES contribute to the osteopenia and inflammation observed in HIES patients.

Structure and function of the Bacillus hybrid enzyme GluXyn-1: Native-like jellyroll fold preserved after insertion of autonomous globular domain

The 1,3–1,4-β-glucanase from Bacillus macerans (wtGLU) and the 1,4-β-xylanase from Bacillus subtilis (wtXYN) are both single-domain jellyroll proteins catalyzing similar enzymatic reactions. In the fusion protein GluXyn-1, the two proteins are joined by insertion of the entire XYN domain into a surface loop of cpMAC-57, a circularly permuted variant of wtGLU. GluXyn-1 was generated by protein engineering methods, produced in Escherichia coli and shown to fold spontaneously and have both enzymatic activities at wild-type level. The crystal structure of GluXyn-1 was determined at 2.1 Å resolution and refined to R = 17.7% and R(free) = 22.4%. It shows nearly ideal, native-like folding of both protein domains and a small, but significant hinge bending between the domains. The active sites are independent and accessible explaining the observed enzymatic activity. Because in GluXyn-1 the complete XYN domain is inserted into the compact folding unit of GLU, the wild-type-like activity and tertiary structure of the latter proves that the folding process of GLU does not depend on intramolecular interactions that are short-ranged in the sequence. Insertion fusions of the GluXyn-1 type may prove to be an easy route toward more stable bifunctional proteins in which the two parts are more closely associated than in linear end-to-end protein fusions.

Structural assignments to the Mycoplasma genitalium proteins show extensive gene duplications and domain rearrangements

The parasitic bacterium Mycoplasma genitalium has a small, reduced genome with close to a basic set of genes. As a first step toward determining the families of protein domains that form the products of these genes, we have used the multiple sequence programs psi-blast and geanfammer to match the sequences of the 467 gene products of M. genitalium to the sequences of the domains that form proteins of known structure [Protein Data Bank (PDB) sequences]. PDB sequences (274) match all of 106 M. genitalium sequences and some parts of another 85; thus, 41% of its total sequences are matched in all or part. The evolutionary relationships of the PDB domains that match M. genitalium are described in the structural classification of proteins (SCOP) database. Using this information, we show that the domains in the matched M. genitalium sequences come from 114 superfamilies and that 58% of them have arisen by gene duplication. This level of duplication is more than twice that found by using pairwise sequence comparisons. The PDB domain matches also describe the domain structure of the matched sequences: just over a quarter contain one domain and the rest have combinations of two or more domains.