Découverte d'inhibiteurs de la dihydrofolate réductase R67 impliquée dans la résistance au triméthoprime.

Le triméthoprime (TMP) est un antibiotique communément utilisé depuis les années 60. Le TMP est un inhibiteur de la dihydrofolate réductase (DHFR) bactérienne chromosomale. Cette enzyme est responsable de la réduction du dihydrofolate (DHF) en tétrahydrofolate (THF) chez les bactéries, qui lui, est essentiel à la synthèse des purines et ainsi, à la prolifération cellulaire. La résistance bactérienne au TMP est documentée depuis plus de 30 ans. Une des causes de cette résistance provient du fait que certaines souches bactériennes expriment une DHFR plasmidique, la DHFR R67. La DHFR R67 n'est pas affectée par le TMP, et peut ainsi remplacer la DHFR chromosomale lorsque celle-ci est inhibée par le TMP. À ce jour, aucun inhibiteur spécifique de la DHFR R67 est connu. En découvrant des inhibiteurs contre la DHFR R67, il serait possible de lever la résistance au TMP que la DHFR R67 confère aux bactéries. Afin de découvrir des inhibiteurs de DHFR R67, les approches de design à base de fragments et de criblage virtuel ont été choisies. L'approche de design à base de fragments a permis d'identifier sept composés simples et de faible poids moléculaire (fragments) inhibant faiblement la DHFR R67. À partir de ces fragments, des composés plus complexes et symétriques, inhibant la DHFR R67 dans l'ordre du micromolaire, ont été élaborés. Des études cinétiques ont montré que ces inhibiteurs sont compétitifs et qu'au moins deux molécules se lient simultanément dans le site actif de la DHFR R67. L'étude d'analogues des inhibiteurs micromolaires de la DHFR R67 a permis de déterminer que la présence de groupements carboxylate, benzimidazole et que la longueur des molécules influencent la puissance des inhibiteurs. Une étude par arrimage moléculaire, appuyée par les résultats in vitro, a permis d'élaborer un modèle qui suggère que les résidus Lys32, Gln67 et Ile68 seraient impliqués dans la liaison avec les inhibiteurs. Le criblage virtuel de la librairie de 80 000 composés de Maybridge avec le logiciel Moldock, et les essais d'inhibition in vitro des meilleurs candidats, a permis d'identifier quatre inhibiteurs micromolaires appartenant à des familles distinctes des composés précédemment identifiés. Un second criblage virtuel, d'une banque de 6 millions de composés, a permis d'identifier trois inhibiteurs micromolaires toujours distincts. Ces résultats offrent la base à partir de laquelle il sera possible de développer iv des composés plus efficaces et possédant des propriétés phamacologiquement acceptables dans le but de développer un antibiotique pouvant lever la résistance au TMP conféré par la DHFR R67.

Genetic studies on the role of type IA DNA topoisomerases in DNA metabolism and genome maintenance in Escherichia coli

Le surenroulement de l’ADN est important pour tous les processus cellulaires qui requièrent la séparation des brins de l’ADN. Il est régulé par l’activité enzymatique des topoisomérases. La gyrase (gyrA et gyrB) utilise l’ATP pour introduire des supertours négatifs dans l’ADN, alors que la topoisomérase I (topA) et la topoisomérase IV (parC et parE) les éliminent. Les cellules déficientes pour la topoisomérase I sont viables si elles ont des mutations compensatoires dans un des gènes codant pour une sous-unité de la gyrase. Ces mutations réduisent le niveau de surenroulement négatif du chromosome et permettent la croissance bactérienne. Une de ces mutations engendre la production d'une gyrase thermosensible. L’activité de surenroulement de la gyrase en absence de la topoisomérase I cause l’accumulation d’ADN hyper-surenroulé négativement à cause de la formation de R-loops. La surproduction de la RNase HI (rnhA), une enzyme qui dégrade l’ARN des R-loops, permet de prévenir l’accumulation d’un excès de surenroulement négatif. En absence de RNase HI, des R-loops sont aussi formés et peuvent être utilisés pour déclencher la réplication de l’ADN indépendamment du système normal oriC/DnaA, un phénomène connu sous le nom de « constitutive stable DNA replication » (cSDR). Pour mieux comprendre le lien entre la formation de R-loops et l’excès de surenroulement négatif, nous avons construit un mutant conditionnel topA rnhA gyrB(Ts) avec l’expression inductible de la RNase HI à partir d’un plasmide. Nous avons trouvé que l’ADN des cellules de ce mutant était excessivement relâché au lieu d'être hypersurenroulé négativement en conditions de pénurie de RNase HI. La relaxation de l’ADN a été montrée comme étant indépendante de l'activité de la topoisomérase IV. Les cellules du triple mutant topA rnhA gyrB(Ts) forment de très longs filaments remplis d’ADN, montrant ainsi un défaut de ségrégation des chromosomes. La surproduction de la topoisomérase III (topB), une enzyme qui peut effectuer la décaténation de l’ADN, a corrigé les problèmes de ségrégation sans toutefois restaurer le niveau de surenroulement de l’ADN. Nous avons constaté que des extraits protéiques du mutant topA rnhA gyrB(Ts) pouvaient inhiber l’activité de surenroulement négatif de la gyrase dans des extraits d’une souche sauvage, suggérant ainsi que la pénurie de RNase HI avait déclenché une réponse cellulaire d’inhibition de cette activité de la gyrase. De plus, des expériences in vivo et in vitro ont montré qu’en absence de RNase HI, l’activité ATP-dépendante de surenroulement négatif de la gyrase était inhibée, alors que l’activité ATP-indépendante de cette enzyme demeurait intacte. Des suppresseurs extragéniques du défaut de croissance du triple mutant topA rnhA gyrB(Ts) qui corrigent également les problèmes de surenroulement et de ségrégation des chromosomes ont pour la plupart été cartographiés dans des gènes impliqués dans la réplication de l’ADN, le métabolisme des R-loops, ou la formation de fimbriae. La deuxième partie de ce projet avait pour but de comprendre les rôles des topoisomérases de type IA (topoisomérase I et topoisomérase III) dans la ségrégation et la stabilité du génome de Escherichia coli. Pour étudier ces rôles, nous avons utilisé des approches de génétique combinées avec la cytométrie en flux, l’analyse de type Western blot et la microscopie. Nous avons constaté que le phénotype Par- et les défauts de ségrégation des chromosomes d’un mutant gyrB(Ts) avaient été corrigés en inactivant topA, mais uniquement en présence du gène topB. En outre, nous avons démontré que la surproduction de la topoisomérase III pouvait corriger le phénotype Par- du mutant gyrB(Ts) sans toutefois corriger les défauts de croissance de ce dernier. La surproduction de topoisomérase IV, enzyme responsable de la décaténation des chromosomes chez E. coli, ne pouvait pas remplacer la topoisomérase III. Nos résultats suggèrent que les topoisomérases de type IA jouent un rôle important dans la ségrégation des chromosomes lorsque la gyrase est inefficace. Pour étudier le rôle des topoisomérases de type IA dans la stabilité du génome, la troisième partie du projet, nous avons utilisé des approches génétiques combinées avec des tests de « spot » et la microscopie. Nous avons constaté que les cellules déficientes en topoisomérase I avaient des défauts de ségrégation de chromosomes et de croissance liés à un excès de surenroulement négatif, et que ces défauts pouvaient être corrigés en inactivant recQ, recA ou par la surproduction de la topoisomérase III. Le suppresseur extragénique oriC15::aph isolé dans la première partie du projet pouvait également corriger ces problèmes. Les cellules déficientes en topoisomérases de type IA formaient des très longs filaments remplis d’ADN d’apparence diffuse et réparti inégalement dans la cellule. Ces phénotypes pouvaient être partiellement corrigés par la surproduction de la RNase HI ou en inactivant recA, ou encore par des suppresseurs isolés dans la première partie du projet et impliques dans le cSDR (dnaT18::aph et rne59::aph). Donc, dans E. coli, les topoisomérases de type IA jouent un rôle dans la stabilité du génome en inhibant la réplication inappropriée à partir de oriC et de R-loops, et en empêchant les défauts de ségrégation liés à la recombinaison RecA-dépendante, par leur action avec RecQ. Les travaux rapportés ici révèlent que la réplication inappropriée et dérégulée est une source majeure de l’instabilité génomique. Empêcher la réplication inappropriée permet la ségrégation des chromosomes et le maintien d’un génome stable. La RNase HI et les topoisomérases de type IA jouent un rôle majeur dans la prévention de la réplication inappropriée. La RNase HI réalise cette tâche en modulant l’activité de surenroulement ATP-dependante de la gyrase, et en empêchant la réplication à partir des R-loops. Les topoisomérases de type IA assurent le maintien de la stabilité du génome en empêchant la réplication inappropriée à partir de oriC et des R-loops et en agissant avec RecQ pour résoudre des intermédiaires de recombinaison RecA-dépendants afin de permettre la ségrégation des chromosomes.

Modifications post-traductionnelles des canaux calciques cardiaques de type L : identification des résidus asparagine qui participent à la glycosylation de la sous-unité auxiliaire CaVα2δ1

Les canaux calciques de type L CaV1.2 sont principalement responsables de l’entrée des ions calcium pendant la phase plateau du potentiel d’action des cardiomyocytes ventriculaires. Cet influx calcique est requis pour initier la contraction du muscle cardiaque. Le canal CaV1.2 est un complexe oligomérique qui est composé de la sous-unité principale CaVα1 et des sous-unités auxiliaires CaVβ et CaVα2δ1. CaVβ joue un rôle déterminant dans l’adressage membranaire de la sous-unité CaVα1. CaVα2δ1 stabilise l’état ouvert du canal mais le mécanisme moléculaire responsable de cette modulation n’a pas été encore identifié. Nous avons récemment montré que cette modulation requiert une expression membranaire significative de CaVα2δ1 (Bourdin et al. 2015). CaVα2δ1 est une glycoprotéine qui possède 16 sites potentiels de glycosylation de type N. Nous avons donc évalué le rôle de la glycosylation de type-N dans l’adressage membranaire et la stabilité de CaVα2δ1. Nous avons d’abord confirmé que la protéine CaVα2δ1 recombinante, telle la protéine endogène, est significativement glycosylée puisque le traitement à la PNGase F se traduit par une diminution de 50 kDa de sa masse moléculaire, ce qui est compatible avec la présence de 16 sites Asn. Il s’est avéré par ailleurs que la mutation simultanée de 6/16 sites (6xNQ) est suffisante pour 1) réduire significativement la densité de surface de! CaVα2δ1 telle que mesurée par cytométrie en flux et par imagerie confocale 2) accélérer les cinétiques de dégradation telle qu’estimée après arrêt de la synthèse protéique et 3) diminuer la modulation fonctionnelle des courants générés par CaV1.2 telle qu’évaluée par la méthode du « patch-clamp ». Les effets les plus importants ont toutefois été obtenus avec les mutants N663Q, et les doubles mutants N348Q/N468Q, N348Q/N812Q, N468Q/N812Q. Ensemble, ces résultats montrent que Asn663 et à un moindre degré Asn348, Asn468 et Asn812 contribuent à la biogenèse et la stabilité de CaVα2δ1 et confirment que la glycosylation de type N de CaVα2δ1 est nécessaire à la fonction du canal calcique cardiaque de type L.

Kinetic Parameters of Thymidine Kinase and DNA Synthesis During Liver Regeneration: Role Ofthyroid Hormones

The role of thyroid hormones in DNA synthesis and in the activity of Thymidille kinase (TK), a key regulatory enzyme of DNA synthesis was studied in proliferating hepatocytes in vivo. Liver regeneration after partial hepatectomy was used as a model for controlled cell division in rats having different thyroid status - euthyroid, hypothyroid and 3,3',5'-triiodo-L-thyronine (T))-heated hypothyroid. Partial hepatectomy caused a significant elevation of DNA synthesis (p<0.01) in all the three groups compared to their sham-operated counterparts. Hypothyroid liepatectomised animals showed significantly lower (p<0.01) level of DNA synthesis than euthyroid hepatectomised animals. A single subcutaneous close of 1'3 to hypothyroid shamoperated animals resulted in a significant increase (p<0.01) of DNA synthesis in the intact liver. 17tis was comparable to the level of DNA synthesis occurring in regenerating liver of euthyroid animals. In hypothyroid hepatectomised animals, "1'3 showed an additive effect on l)NA synthesis and this group exhibited maximum level of DNA synthesis (p<0.0I ). Studies of the kinetic parameters of TK show that the Michelis-Menten constant, (K111) of TK for thymidine was altered by the thyroid status. K11 increased significantly (p<0.01) in untreated hypothyroid animals when compared to the euthyroid rats. '13 treatment of hypothyroid animals reversed this effect and this group showed the lowest value for K111 (p<0.01). Thus our results indicate that thyroid hormones can influence DNA synthesis during liver regeneration and they may regulate the activity of enzymes such as 17rymidine kinase which are important for DNA synthesis and hence cell division.

Effect Insulin on DNA Synthesis and Kinetic Parameters of Thymidine Kinase During Liver Regenaration

The effect of insulin on cell proliferation in vivo has been studied in hepatectomised streptozotocin- diabetic rats. The extent of cell proliferation in sham and hepatectomized- control, diabetic and insulin treated rats were monitored by determining DNA content and [3H]thymidine incorporation into DNA. The kinetic parameters of thymidine kinase a regulatory enzyme for DNA synthesis was also studied in these groups. The rate of DNA synthesis in liver of streptozotocin -diabetic rats was significantly higher 24 hrs post-hepatectomy compared to control and insulin treated diabetic groups. Kinetic studies of thymidine kinase revealed that there was no change in the Michaelis -Menten constant (Km) whereas maximum velocity (Vmax) was elevated in the diabetic hepatectomized groups compared to control and insulin treated hepatectomized groups. Thus our study elucidates the role of insulin in thymidine kinase activity and DNA synthesis.

Kinetic Studies of Purified malate Dehydrogenase in Liver of Streptozotocindiabetic Rats and the Effect of Leaf Extract of Aegle Marmelose (L.) Correa ex Roxb

The functional basis of diabetes-mellitus to a certain extent, can be elucidated by studying diabetes-induced changes in metabolic enzymes. Malate dehydrogenase (MDH), is an enzyme directly involved in glucose metabolism. The kinetic parameters of MDH and its purified cytosolic isozyme, S-MDH, have been studied in the liver of streptozotocin- diabetic rats; also the potential of the leaf extract of A. marmelose as an was investigated. The Km of the liver enzyme increased significantly, in both crude and purified preparations in the diabetic state when compared to Lhe respective controls. Insulin as well as leaf- •extract treatment of the diabetic rats brought about a reversal of K. values to near normal. Vmax of purified S-MDH was significantly higher in the diabetic state when compared to the control. Insulin and leaf extract treatment did not reverse this change. Since MDH is an important enzyme in glucose metabolism, the variation in its quantitative and qualitative nature may contribute to the pathological status of diabetes. The fact that leaf extract of A. marmelose was found to be as effective as insulin in restoration of blood glucose and body weight to normal levels, the use of A. marmelose as potential hypoglycemic agent is suggested.

Determination of the nature of the diperiodatocuprate(III) species in aqueous alkaline medium through a kinetic and mechanistic study on the oxidation of iodide ion

The nature of the diperiodatocuprate(III) (DPC) species present in aqueous alkaline medium has been investigated by a kinetic and mechanistic study on the oxidation of iodide by DPC. The reaction kinetics were studied over the 1.0 ´ 10)3±0.1 mol dm)3 alkali range. The reaction order with respect to DPC, as well as iodide, was found to be unity when [DPC] [I)]. In the 1.0 ´ 10)3±1.0 ´ 10)2 mol dm)3 alkali region, the rate decreased with increase in the alkali concentration and a plot of the pseudo-®rst order rate constant, k versus 1/[OH)] was linear. Above 5.0 ´ 10)2 mol dm)3, a plot of k versus [OH)] was also linear with a non-zero intercept. An increase in ionic strength of the reaction mixtures showed no e ect on k at low alkali concentrations, whereas at high concentrations an increase in ionic strength leads to an increase in k. A plot of 1/k versus [periodate] was linear with an intercept in both alkali ranges. Iodine was found to accelerate the reaction at the three di erent alkali concentrations employed. The observed results indicated the following equilibria for DPC.

Synthesis, characterization and kinetic studies on complex formed between amantadine hydrochloride and sodium molybdate at physiological pH

The title reaction was undertaken to establish the interaction between amantadine and molybdate at physiological pH. Identical FTIR spectra, TG-DTA curves and CHN data of the complexes formed from three solutions at pH 1.5, 7.4 and 8.0 indicate that the same complex was formed at all the three pHs. The FTIR spectrum shows shift in peaks corresponding to primary amino group of the drug due to coordination to molybdate. An octahedral geometry is assigned to the complex. The kinetics of the complexation has been studied at low concentrations of the reactants using UV-visible spectrophotometry. At pH 7.4, the initial rate varies linearly with [molybdate]. A plot of initial rate versus [drug] is linear passing through origin. These results indicate that the drug and molybdate react at pH 7.4 even at low concentrations. At pH 1.5, the rate increases linearly with increase in [drug] but decreases with [molybdate]. The effect of pH and ionic strength on the rate of the reaction has also been studied. A suitable mechanism has been proposed for the reaction. Reaction between the drug and molybdate even at low concentrations and the fact that the amino group of amantadine required to be free for its function as antiviral, is bound to molybdate in the complex suggests that simultaneous administration of the drug and molybdate supplements should be avoided.

Physicochemical and Biochemical Characterization of Enzymes Immobilized on lnorganic Matrices

Biotechnology is currently considered as a useful altemative to conventional process technology in industrial and catalytic fields. The increasing awareness of the need to create green and sustainable production processes in all fields of chemistry has stimulated materials scientists to search for innovative catalysts supports. lmmobilization of enzymes in inorganic matrices is very useful in practical applications due to the preserved stability and catalytic activity of the immobilized enzymes under extreme conditions. Nanostructured inorganic, organic or hybrid organic-inorganic nanocomposites present paramount advantages to facilitate integration and miniaturization of the devices (nanotechnologies), thus affording a direct connection between the inorganic, organic and biological worlds. These properties, combined with good chemical stability, make them competent candidates for designed biocatalysts, protein-separation devices, drug delivery systems, and biosensors Aluininosilicate clays and layered double hydroxides, displaying, respectively, cation and anion exchange properties, were found to be attractive materials for immobilization because of their hydrophilic, swelling and porosity properties, as well as their mechanical and thermal stability.The aim of this study is the replacement of inorganic catalysts by immobilized lipases to obtain purer and healthier products.Mesocellular silica foams were synthesized by oil-in-water microemulsion templating route and were functionalized with silane and glutaraldehyde. " The experimental results from IR spectroscopy and elemental analysis demonstrated the presence of immobilized lipase and also functionalisation with silane and glutaraldehyde on the supports.The present work is a comprehensive study on enzymatic synthesis of butyl isobutyrate through esterification reaction using lipase immobilized onto mesocellular siliceous foams and montmorillonite K-10 via adsorption and covalent binding. Moreover, the irnrnobil-ization does not modify the nature of the kinetic mechanism proposed which is of the Bi-Bi Ping—Pong type with inhibition by n-butanol. The immobilized biocatalyst can be commercially exploited for the synthesis of other short chain flavor esters. Mesocellular silica foams (MCF) were synthesized by microemusion templating method via two different routes (hydrothermal and room temperature). and were functionalized with silane and glutaraldehyde. Candida rugosa lipase was adsorbed onto MCF silica and clay using heptane as the coupling medium for reactions in non-aqueous media. I From XRD results, a slight broadening and lowering of d spacing values after immobilization and modification was observed in the case of MCF 160 and MCF35 but there was no change in the d-spacing in the case of K-10 which showed that the enzymes are adsorbed only on the external surface. This was further confirmed from the nitrogen adsorption measurements

Evidence of a critical time in constrained Kinetic Ising models

We study the relaxational dynamics of the one-spin facilitated Ising model introduced by Fredrickson and Andersen. We show the existence of a critical time which separates an initial regime in which the relaxation is exponentially fast and aging is absent from a regime in which relaxation becomes slow and aging effects are present. The presence of this fast exponential process and its associated critical time is in agreement with some recent experimental results on fragile glasses.

Primary hemocyte culture of Penaeus monodon as an in vitro model for white spot syndrome virus titration, viral and immune related gene expression and cytotoxicity assays

Immortal cell lines have not yet been reported from Penaeus monodon, which delimits the prospects of investigating the associated viral pathogens especially white spot syndrome virus (WSSV). In this context, a method of developing primary hemocyte culture from this crustacean has been standardized by employing modified double strength Leibovitz-15 (L-15) growth medium supplemented with 2% glucose, MEM vitamins (1 ), tryptose phosphate broth (2.95 g l 1), 20% FBS, N-phenylthiourea (0.2 mM), 0.06 lgml 1 chloramphenicol, 100 lgml 1 streptomycin and 100 IU ml 1 penicillin and hemolymph drawn from shrimp grown under a bio-secured recirculating aquaculture system (RAS). In this medium the hemocytes remained viable up to 8 days. 5-Bromo-20-deoxyuridine (BrdU) labeling assay revealed its incorporation in 22 ± 7% of cells at 24 h. Susceptibility of the cells to WSSV was confirmed by immunofluoresence assay using a monoclonal antibody against 28 kDa envelope protein of WSSV. A convenient method for determining virus titer as MTT50/ml was standardized employing the primary hemocyte culture. Expression of viral genes and cellular immune genes were also investigated. The cell culture could be demonstrated for determining toxicity of a management chemical (benzalkonium chloride) by determining its IC50. The primary hemocyte culture could serve as a model for WSSV titration and viral and cellular immune related gene expression and also for investigations on cytotoxicity of aquaculture drugs and chemicals

Pretreatment Of Agricultural Waste With Pleurotus Sp. For Ethanol Production

Bioethanol is a liquid fuel obtained from fermentation of sugar/starch crops. Lignocellulosic biomass being less expensive is considered a future alternative for the food crops. One of the main challenges for the use of lignocellulosics is the development of an efficient pre-treatment process. Pretreatments are classified into three - physical, chemical, and biological pretreatment. Chemical process has not been proven suitable so far, due to high costs and production of undesired by-products. Biologically, hydrolysis can be enhanced by microbial or enzymatic pretreatment. Studies show that the edible mushrooms of Pleurotus sp. produce several extracellular enzymes which reduce the structural and chemical complexity of fibre. In the present study, P. ostreatus and P. eous were cultivated on paddy straw. Spent substrate left after mushroom cultivation was powdered and used for ethanol production. Saccharomyces sp. was used for fermentation studies. Untreated paddy straw was used as control. Production of ethanol from P. ostreatus substrate was 5.5 times more when compared to untreated paddy straw, while the spent substrate of P. eous gave 5 times increase in ethanol yield. Assays showed the presence of several extracellular enzymes in the spent substrate of both species, which together contributed to the increase in ethanol yield

Funktionelle Analyse der LC-FACS in Dictyostelium discoideum

"Funktionelle Analyse der LC-FACS in Dictyostelium discoideum" Das Dictyostelium discoideum Gen fcsA kodiert für ein 75 kDa großes Protein. Es kann durch Homologieanyalysen der Amino-säuresequenz zu den "long-chain fatty acyl-CoA"-Synthetasen ge-rechnet werden, die lang-kettige Fettsäuren durch die kovalente Bindung von Coenzym A akti-vie-ren und damit für diverse Reak-tionen in Stoffwechsel und Molekül-Synthese der Zelle verfügbar machen. Die hier untersuchte D. discoideum LC-FACS lokalisiert als peripher assoziiertes Protein an der cytosolischen Seite der Membran von Endo-somen und kleiner Vesikel. Bereits kurz nach der Bildung in der frühen sauren Phase kann die Lokalisation der LC-FACS auf Endosomen ge-zeigt werden. Sie dissoziiert im Laufe ihrer Neutra-li-sierung und kann auf späten Endosomen, die vor ihrer Exocytose stehen nicht mehr nach-gewiesen werden. Ein Teil der kleinen die in der gesamte Zelle verteilten kleinen Vesikel zeigt eine Kolokalisation mit lysosomalen Enzymen. Trotz des intrazellulären Verteilungs-mus-ters, das eine Beteiligung dieses Pro-teins an der Endocytose nahe-legt, konnte kein signifikanter Rückgang der Pino- und Phagocytose-Rate in LC-FACS Nullmutanten beobachtet werden. Der endo-cy-to-ti-sche Transit ist in diesen Zellen etwas verlängert, außerdem zeigen die Endosomen einen deutlich erhöhten pH-Wert, was zu einer weniger effektiven Prozessierung eines lysosomalen Enzyms führt (a-Mannosidase). Die Funktion der LC-FACS ist die Aufnahme von langkettigen Fettsäuren aus dem Lumen der Endosomen.

Characterization of DnmA, the Dnmt2 homolog in Dictyostelium discoideum

Eukaryotic DNA m5C methyltransferases (MTases) play a major role in many epigenetic regulatory processes like genomic imprinting, X-chromosome inactivation, silencing of transposons and gene expression. Members of the two DNA m5C MTase families, Dnmt1 and Dnmt3, are relatively well studied and many details of their biological functions, biochemical properties as well as interaction partners are known. In contrast, the biological functions of the highly conserved Dnmt2 family, which appear to have non-canonical dual substrate specificity, remain enigmatic despite the efforts of many researchers. The genome of the social amoeba Dictyostelium encodes Dnmt2-homolog, the DnmA, as the only DNA m5C MTase which allowed us to study Dnmt2 function in this organism without interference by the other enzymes. The dnmA gene can be easily disrupted but the knock-out clones did not show obvious phenotypes under normal lab conditions, suggesting that the function of DnmA is not vital for the organism. It appears that the dnmA gene has a low expression profile during vegetative growth and is only 5-fold upregulated during development. Fluorescence microscopy indicated that DnmA-GFP fusions were distributed between both the nucleus and cytoplasm with some enrichment in nuclei. Interestingly, the experiments showed specific dynamics of DnmA-GFP distribution during the cell cycle. The proteins colocalized with DNA in the interphase and were mainly removed from nuclei during mitosis. DnmA functions as an active DNA m5C MTase in vivo and is responsible for weak but detectable DNA methylation of several regions in the Dictyostelium genome. Nevertheless, gel retardation assays showed only slightly higher affinity of the enzyme to dsDNA compared to ssDNA and no specificity towards various sequence contexts, although weak but detectable specificity towards AT-rich sequences was observed. This could be due to intrinsic curvature of such sequences. Furthermore, DnmA did not show denaturant-resistant covalent complexes with dsDNA in vitro, although it could form covalent adducts with ssDNA. Low binding and methyltransfer activity in vitro suggest the necessity of additional factor in DnmA function. Nevertheless, no candidates could be identified in affinity purification experiments with different tagged DnmA fusions. In this respect, it should be noted that tagged DnmA fusion preparations from Dictyostelium showed somewhat higher activity in both covalent adduct formation and methylation assays than DnmA expressed in E.coli. Thus, the presence of co-purified factors cannot be excluded. The low efficiency of complex formation by the recombinant enzyme and the failure to define interacting proteins that could be required for DNA methylation in vivo, brought up the assumption that post-translational modifications could influence target recognition and enzymatic activity. Indeed, sites of phosphorylation, methylation and acetylation were identified within the target recognition domain (TRD) of DnmA by mass spectrometry. For phosphorylation, the combination of MS data and bioinformatic analysis revealed that some of the sites could well be targets for specific kinases in vivo. Preliminary 3D modeling of DnmA protein based on homology with hDNMT2 allowed us to show that several identified phosphorylation sites located on the surface of the molecule, where they would be available for kinases. The presence of modifications almost solely within the TRD domain of DnmA could potentially modulate the mode of its interaction with the target nucleic acids. DnmA was able to form denaturant-resistant covalent intermediates with several Dictyostelium tRNAs, using as a target C38 in the anticodon loop. The formation of complexes not always correlated with the data from methylation assays, and seemed to be dependent on both sequence and structure of the tRNA substrate. The pattern, previously suggested by the Helm group for optimal methyltransferase activity of hDNMT2, appeared to contribute significantly in the formation of covalent adducts but was not the only feature of the substrate required for DnmA and hDNMT2 functions. Both enzymes required Mg2+ to form covalent complexes, which indicated that the specific structure of the target tRNA was indispensable. The dynamics of covalent adduct accumulation was different for DnmA and different tRNAs. Interestingly, the profiles of covalent adduct accumulation for different tRNAs were somewhat similar for DnmA and hDNMT2 enzymes. According to the proposed catalytic mechanism for DNA m5C MTases, the observed denaturant-resistant complexes corresponded to covalent enamine intermediates. The apparent discrepancies in the data from covalent complex formation and methylation assays may be interpreted by the possibility of alternative pathways of the catalytic mechanism, leading not to methylation but to exchange or demethylation reactions. The reversibility of enamine intermediate formation should also be considered. Curiously, native gel retardation assays showed no or little difference in binding affinities of DnmA to different RNA substrates and thus the absence of specificity in the initial enzyme binding. The meaning of the tRNA methylation as well as identification of novel RNA substrates in vivo should be the aim of further experiments.

Untersuchungen zur Rolle von Isoformen katalytischer Untereinheiten der PKA

ZUSAMMENFASSUNG: Proteinkinasen übernehmen zentrale Aufgaben in der Signaltransduktion höherer Zellen. Dabei ist die cAMP-abhängige Proteinkinase (PKA) bezüglich ihrer Struktur und Funktion eine der am besten charakterisierten Proteinkinasen. Trotzdem ist wenig über direkte Interaktionspartner der katalytischen Untereinheiten (PKA-C) bekannt. In einem Split-Ubiquitin basiertem Yeast Two Hybrid- (Y2H-)System wurden potenzielle Interaktionspartner der PKA-C identifiziert. Als Bait wurden sowohl die humane Hauptisoform Cα (hCα) als auch die Proteinkinase X (PrKX) eingesetzt. Nach der Bestätigung der Funktionalität der PKA-C-Baitproteine, dem Nachweis der Expression und der Interaktion mit dem bekannten Interaktionspartner PKI wurde ein Y2H-Screen gegen eine Mausembryo-cDNA-Expressionsbibliothek durchgeführt. Von 2*10^6 Klonen wurden 76 Kolonien isoliert, die ein mit PrKX interagierendes Preyprotein exprimierten. Über die Sequenzierung der enthaltenen Prey-Vektoren wurden 25 unterschiedliche, potenzielle Interaktionspartner identifiziert. Für hCα wurden über 2*10^6 S. cerevisiae-Kolonien untersucht, von denen 1.959 positiv waren (1.663 unter erhöhter Stringenz). Über die Sequenzierung von ca. 10% der Klone (168) konnten Sequenzen für 67 verschiedene, potenzielle Interaktionspartner der hCα identifiziert werden. 15 der Preyproteine wurden in beiden Screens identifiziert. Die PKA-C-spezifische Wechselwirkung der insgesamt 77 Preyproteine wurde im Bait Dependency Test gegen largeT, ein Protein ohne Bezug zum PKA-System, untersucht. Aus den PKA-C-spezifischen Bindern wurden die löslichen Preyproteine AMY-1, Bax72-192, Fabp3, Gng11, MiF, Nm23-M1, Nm23-M2, Sssca1 und VASP256-375 für die weitere in vitro-Validierung ausgewählt. Die Interaktion von FLAG-Strep-Strep-hCα (FSS-hCα) mit den über Strep-Tactin aus der rekombinanten Expression in E. coli gereinigten One-STrEP-HA-Proteinen (SSHA-Proteine) wurde über Koimmunpräzipitation für SSHA-Fabp3, -Nm23-M1, -Nm23-M2, -Sssca1 und -VASP256-375 bestätigt. In SPR-Untersuchungen, für die hCα kovalent an die Oberfläche eines CM5-Sensorchips gekoppelt wurde, wurden die ATP/Mg2+-Abhängigkeit der Bindungen sowie differentielle Effekte der ATP-kompetitiven Inhibitoren H89 und HA-1077 untersucht. Freie hCα, die vor der Injektion zu den SSHA-Proteinen gegeben wurde, kompetierte im Gegensatz zu FSS-PrKX die Bindung an die hCα-Oberfläche. Erste kinetische Analysen lieferten Gleichgewichtsdissoziationskonstanten im µM- (SSHA-Fabp3, -Sssca1), nM- (SSHA-Nm23-M1, –M2) bzw. pM- (SSHA-VASP256-375) Bereich. In funktionellen Analysen konnte eine Phosphorylierung von SSHA-Sssca1 und VASP256-375 durch hCα und FSS-PrKX im Autoradiogramm nachgewiesen werden. SSHA-VASP256-375 zeigte zudem eine starke Inhibition von hCα im Mobility Shift-Assay. Dieser inhibitorische Effekt sowie die hohe Affinität konnten jedoch auf eine Kombination aus der Linkersequenz des Vektors und dem N-Terminus von VASP256-375 zurückgeführt werden. Über die Wechselwirkungen der hier identifizierten Interaktionspartner Fabp3, Nm23-M1 und Nm23-M2 mit hCα können in Folgeuntersuchungen neue PKA-Funktionen insbesondere im Herzen sowie während der Zellmigration aufgedeckt werden. Sssca1 stellt dagegen ein neues, näher zu charakterisierendes PKA-Substrat dar.