Structure-function relationships in a glycosyltransferase, a phosphatase and an oxidoreductase

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Biochemistry

Structure of the glycosyl-phosphatidylinositol membrane anchor of the Leishmania major promastigote surface protease.

In common with many other plasma membrane glycoproteins of eukaryotic origin, the promastigote surface protease (PSP) of the protozoan parasite Leishmania contains a glycosyl-phosphatidylinositol (GPI) membrane anchor. The GPI anchor of Leishmania major PSP was purified following proteolysis of the PSP and analyzed by two-dimensional 1H-1H NMR, compositional and methylation linkage analyses, chemical and enzymatic modifications, and amino acid sequencing. From these results, the structure of the GPI-containing peptide was found to be Asp-Gly-Gly-Asn-ethanolamine-PO4-6Man alpha 1-6Man alpha 1-4GlcN alpha 1-6myo-inositol-1-PO4-(1-alkyl-2-acyl-glycerol). The glycan structure is identical to the conserved glycan core regions of the GPI anchor of Trypanosoma brucei variant surface glycoprotein and rat brain Thy-1 antigen, supporting the notion that this portion of GPIs are highly conserved. The phosphatidylinositol moiety of the PSP anchor is unusual, containing a fully saturated, unbranched 1-O-alkyl chain (mainly C24:0) and a mixture of fully saturated unbranched 2-O-acyl chains (C12:0, C14:0, C16:0, and C18:0). This lipid composition differs significantly from those of the GPIs of T. brucei variant surface glycoprotein and mammalian erythrocyte acetylcholinesterase but is similar to that of a family of glycosylated phosphoinositides found uniquely in Leishmania.

Variational Monte Carlo study of core-valence separation schemes for first-row atoms and positive ions /

All-electron partitioning of wave functions into products ^core^vai of core and valence parts in orbital space results in the loss of core-valence antisymmetry, uncorrelation of motion of core and valence electrons, and core-valence overlap. These effects are studied with the variational Monte Carlo method using appropriately designed wave functions for the first-row atoms and positive ions. It is shown that the loss of antisymmetry with respect to interchange of core and valence electrons is a dominant effect which increases rapidly through the row, while the effect of core-valence uncorrelation is generally smaller. Orthogonality of the core and valence parts partially substitutes the exclusion principle and is absolutely necessary for meaningful calculations with partitioned wave functions. Core-valence overlap may lead to nonsensical values of the total energy. It has been found that even relatively crude core-valence partitioned wave functions generally can estimate ionization potentials with better accuracy than that of the traditional, non-partitioned ones, provided that they achieve maximum separation (independence) of core and valence shells accompanied by high internal flexibility of ^core and Wvai- Our best core-valence partitioned wave function of that kind estimates the IP's with an accuracy comparable to the most accurate theoretical determinations in the literature.

Le monde à l'envers : analyse de la structure du trafic transnational de drogues illicites

La thèse vise à analyser la structure des échanges transnationaux de cocaïne, d’héroïne et de marijuana. Partant de la perspective des systèmes-mondes, l’hypothèse que le trafic de drogues forme un système inverse au commerce légal est développée. Les outils de l’analyse de réseaux sont appliqués aux échanges de drogues entre pays. La thèse s’appuie sur deux sources de données complémentaires. La première est une banque d’informations uniques compilées par l’United Nations Office on Drugs and Crime (UNODC) sur les saisies d’importance effectuées dans le monde entre 1998 et 2007 (n = 47629). Ces données sont complétées par les informations contenues dans une dizaine de rapports publiés par des organismes internationaux de surveillance du trafic de drogues. Les réseaux d’échanges dirigés construits à partir de ces données permettent d’examiner l’étendue du trafic entre la plupart des pays du monde et de qualifier leur implication individuelle. Les chapitres 3 et 4 portent sur la structure du trafic elle-même. Dans un premier temps, les différents rôles joués par les pays et les caractéristiques des trois marchés de drogues sont comparés. Les quantités en circulation et les taux d’interception sont estimés pour les 16 régions géographiques définies par l’UNODC. Dans un deuxième temps, leurs caractéristiques structurelles sont comparées à celles des marchés légaux. Il en ressort que les marchés de drogues sont beaucoup moins denses et que les pays périphériques y jouent un rôle plus prononcé. L’inégalité des échanges caractérise les deux économies, mais leurs structures sont inversées. Le chapitre 5 propose une analyse de la principale source de risque pour les trafiquants, les saisies de drogues. Les données compilées permettent de démontrer que les saisies policières de drogues agrégées au niveau des pays sont principalement indicatrices du volume de trafic. L’éventuel biais lié aux pressions policières est négligeable pour les quantités saisies, mais plus prononcé pour le nombre de saisies. Les organismes de contrôle seraient donc plus à même de moduler leurs activités que les retombées éventuelles. Les résultats suggèrent aussi que les trafiquants adoptent des stratégies diverses pour limiter les pertes liées aux saisies. Le chapitre 6 s’attarde à l’impact de la structure sur le prix et la valeur des drogues. Le prix de gros varie considérablement d’un pays à l’autre et d’une drogue à l’autre. Ces variations s’expliquent par les contraintes auxquelles font face les trafiquants dans le cadre de leurs activités. D’une part, la valeur des drogues augmente plus rapidement lorsqu’elles sont destinées à des pays où les risques et les coûts d’importation sont élevés. D’autre part, la majoration des prix est plus prononcée lorsque les échanges sont dirigés vers des pays du cœur de l’économie légale. De nouveau, les rôles sont inversés : les pays généralement avantagés dépendent des plus désavantagés, et les pays pauvres en profitent pour exploiter les riches.

Étude de l’effet d'agents potentiellement perturbateurs de la structure des biofilms sur la diffusion des macromolécules dans les biofilms de Streptococcus mutans : cas de l’EDTA et de l’aspirine

Le but de ce travail de mémoire était d'explorer des moyens pour augmenter la perméabilité des biofilms de Streptococcus mutans aux macromolécules en utilisant des agents potentiellement perturbateurs de la structure des biofilms. L’acide éthylènediamine tétraacétique (EDTA) ainsi que l’acide acétylsalicylique (aspirine) sont les agents perturbateurs choisis. Le changement de perméabilité des biofilms de S. mutans a été déterminé en mesurant les coefficients de diffusion globale du polyéthylène glycol (PEG) et de diffusion locale de dextrans. Les coefficients de diffusion globale ont été mesurés par spectroscopie infrarouge avec un échantillonnage par réflexion totale atténuée (ATR) alors que la spectroscopie par corrélation de fluorescence (SCF) a été utilisée pour la mesure des coefficients de diffusion locale. Les résultats ont démontré que l’incorporation de l’EDTA à une concentration de 7.5 (m/v) % dans la solution de diffusion permet d’améliorer les propriétés de transport du PEG dans les biofilms en augmentant sa pénétrabilité et son coefficient de diffusion globale. Par contre, aucune variation n’a été constatée dans la valeur du coefficient de diffusion locale de dextran fluorescent. Cette différence peut être expliquée, entre autres, par l'échelle des mesures et la nature différente des molécules diffusantes. L’aspirine n’a démontré aucun effet sur le transport du PEG à travers les biofilms de S. mutans. La pénétration accrue du PEG en présence de l’EDTA a été corrélée aux tests de viabilité des cellules bactériennes. En effet, la combinaison de la pénicilline G (PenG) avec l’EDTA 2 (m/v) % a eu comme effet l’augmentation du pouvoir biocide d’un facteur 3. De plus, les images de microscopie à épifluorescence et de microscopie confocale à balayage de laser ont démontré que les bactéries dans le cœur des microcolonies sont plus affectées par la PenG lorsque le milieu contient de l'EDTA. A la lumière des résultats obtenus, il s’avère que l’incorporation d'agents perturbateurs de la structure des biofilms est une option sérieuse à considérer dans l’éradication des biofilms microbiens. Plus d’études devront être effectuées afin d’investiguer l’effet d’autres molécules possédant les propriétés perturbatrices de la structure des biofilms sur la résistance de ces derniers aux agents antimicrobiens.

Investigation of the structure and dynamics of the centromeric epigenetic mark

Le centromère est le site chromosomal où le kinetochore se forme, afin d’assurer une ségrégation fidèles des chromosomes et ainsi maintenir la ploïdie appropriée lors de la mitose. L’identité du centromere est héritée par un mécanisme épigénétique impliquant une variante de l’histone H3 nommée centromere protein-A (CENP-A), qui remplace l’histone H3 au niveau de la chromatine du centromère. Des erreurs de propagation de la chromatine du centromère peuvent mener à des problèmes de ségrégation des chromosomes, pouvant entraîner l’aneuploïdie, un phénomène fréquemment observé dans le cancer. De plus, une expression non-régulée de CENP-A a aussi été rapportée dans différentes tumeurs humaines. Ainsi, plusieurs études ont cherchées à élucider la structure et le rôle de la chromatine contenant CENP-A dans des cellules en prolifération. Toutefois, la nature moléculaire de CENP-A en tant que marqueur épigénétique ainsi que ces dynamiques à l'extérieur du cycle cellulaire demeurent des sujets débat. Dans cette thèse, une nouvelle méthode de comptage de molécules uniques à l'aide de la microscopie à réflexion totale interne de la fluorescence (TIRF) sera décrite, puis exploitée afin d'élucider la composition moléculaire des nucléosomes contenant CENP-A, extraits de cellules en prolifération. Nous démontrons que les nucléosomes contenant CENP-A marquent les centromères humains de façon épigénétique à travers le cycle cellulaire. De plus, nos données démontrent que la forme prénucléosomale de CENP-A, en association avec la protéine chaperon HJURP existe sous forme de monomère et de dimère, ce qui reflète une étape intermédiaire de l'assemblage de nucléosomes contenant CENP-A. Ensuite, des analyses quantitatives de centromères lors de différenciation myogénique, et dans différents tissus adultes révèlent des changements globaux qui maintiennent la marque épigénétique dans une forme inactive suite à la différentiation terminale. Ces changements incluent une réduction du nombre de points focaux de CENP-A, un réarrangement des points dans le noyau, ainsi qu'une réduction importante de la quantité de CENP-A. De plus, nous démontrons que lorsqu'une dédifférenciation cellulaire est induite puis le cycle cellulaire ré-entamé, le phénotype "différencié" décrit ci-haut est récupéré, et les centromères reprennent leur phénotype "prolifératif". En somme, cet oeuvre décrit la composition structurale sous-jacente à l'identité épigénétique des centromères de cellules humaines lors du cycle cellulaire, et met en lumière le rôle de CENP-A à l'extérieur du cycle cellulaire.

The study of RNA tertiary interactions in tRNA structure and function

Le rôle des deux paires de bases universelles inverse Hoogsteen U : A ( RHUAs ) présentent chez les ARNt standards , une dans la boucle T et l'autre dans le noyau de la forme en L , a été étudiée. Pour chacun des RHUAs , un criblage génétique spécialisé in vivo chez les bactéries , le système suppresseur ambre ( pour l'étude de la RHUA dans la boucle T ) et le système d'ARNt de la sélénocystéine ( tRNASec ) ( pour l'étude de la RHUA dans le noyau ) , ont été utilisé pour générer des variants fonctionnels à partir de multiples librairies combinatoires . Ces variants ont ensuite été séquencé et soumis à une analyse systématique qui comprend la modélisation informatique et un type d'analyse phylogénétique. Les résultats du système suppresseur ambre ont montré un ensemble de variants fonctionnels qui ne nécessitent pas le motif RHUA dans la boucle T et qui ont remplacé la méthode standard de l'interaction entre les boucles D et T avec une double hélice interboucle , ILDH . D'autres études ont abouti à la détermination d'un modèle In silico de l'alternative à la norme standard de la boucle T, sous le nom de type III . Les résultats du système tRNASec ont révélé que pour cette ARNt exceptionnel, l'absence de RHUA ( dans le noyau ) assure une flexibilité accrue qui est spécifiquement nécessaire pour la fonction de tRNASec . Ainsi, les ARNt standards , à la différence de tRNASec , avec la présence universelle de RHUA dans le noyau , a été naturellement sélectionnée pour être rigide . Pris ensemble, la RHUA joue un rôle essentiel dans la stabilisation des interactions tertiaires.

Fluorescent Superparamagnetic Iron Oxide Core–Shell Nanoprobes for Multimodal Cellular Imaging

Multimodal imaging agents that combine magnetic and fluorescent imaging capabilities are desirable for the high spatial and temporal resolution. In the present work, we report the synthesis of multifunctional fluorescent ferrofluids using iron oxide as the magnetic core and rhodamine B as fluorochrome shell. The core–shell structure was designed in such a way that fluorescence quenching due to the inner magnetic core was minimized by an intermediate layer of silica. The intermediate passive layer of silica was realized by a novel method which involves the esterification reaction between the epoxy group of prehydrolysed 3-Glyidoxypropyltrimethoxysilane and the surfactant over iron oxide. The as-synthesized ferrofluids have a high saturation magnetization in the range of 62–65 emu/g and were found to emit light of wavelength 640 nm ( excitation = 446 nm). Time resolved life time decay analysis showed a bi-exponential decay pattern with an increase in the decay life time in the presence of intermediate silica layer. Cytotoxicity studies confirmed the cell viability of these materials. The in vitro MRI imaging illustrated a high contrast when these multimodal nano probes were employed and the R2 relaxivity of these ∗Author to whom correspondence should be addressed. Email: smissmis@gmail.com sample was found to be 334 mM−1s−1 which reveals its high potential as a T2 contrast enhancing agent

Equilibrium K-shell excitation of highly ionized neon

Augerelectron emission from foil-excited Ne-ions (6 to 10 MeV beam energy) has been measured. The beam-foil time-of-flight technique has been applied to study electronic transitions of metastable states (delayed spectra) and to determine their lifetimes. To achieve a line identification for the complex structure observed in the prompt spectrum, the spectrum is separated into its isoelectronic parts by an Augerelectron-ion coincidence correlating the emitted electrons and the emitting projectiles of well defined final charge states q_f. Well resolved spectra were obtained and the lines could be identified using intermediate coupling Dirac-Fock multiconfiguration calculations. From the total KLL-Augerelectron transition probabilities observed in the electronion coincidence experiment for Ne (10 MeV) the amount of projectiles with one K-hole just behind a C-target can be estimated. For foil-excited Ne-projectiles in contrast to single collision results the comparison of transition intensities for individual lines with calculated transition probabilities yields a statistical population of Li- and Be-like configurations.

Paper del nucli hidrofòbic principal de la RNasa A en el plegament i desplegament induïts per pressió i temperatura

Utilitzant temperatura i pressió com a agents desnaturalitzants s'ha explorat la contribució a l'estabilitat de diferents residus del principal nucli hidrofòbic de la RNasa A. Aquests resutats suggereixen que el principal nucli hidrofòbic d'aquest enzim, està fortament empaquetat i ha revelat l'existència de reordenacions en l'interior de la proteïna. El mètode dels valors , han permès estudiar el paper de les interaccions hidrofòbiques establertes pels residus del principal nucli hidrofòbic de la RNasa A en el seu estat de transició induït per pressió. En conjunt, aquests resultats suggereixen que l'estat de transició de la RNasa A, s'assemblaria a un glòbul col·lapsat amb una cadena estructurada però amb un debilitat nucli hidrofòbic. S'ha explorat també, el paisatge energètic del plegament/desplegament proteic de la variant Y115W de la RNasa A. L'estat de transició sembla interaccionar fortament amb la capa d'hidratació d'aquest estat, tal i com indiquen els resultats en presència de glicerol.

Modelling the lava dome extruded at Soufrière Hills Volcano, Montserrat, August 2005–May 2006. Part I: Dome shape and internal structure

Lava domes comprise core, carapace, and clastic talus components. They can grow endogenously by inflation of a core and/or exogenously with the extrusion of shear bounded lobes and whaleback lobes at the surface. Internal structure is paramount in determining the extent to which lava dome growth evolves stably, or conversely the propensity for collapse. The more core lava that exists within a dome, in both relative and absolute terms, the more explosive energy is available, both for large pyroclastic flows following collapse and in particular for lateral blast events following very rapid removal of lateral support to the dome. Knowledge of the location of the core lava within the dome is also relevant for hazard assessment purposes. A spreading toe, or lobe of core lava, over a talus substrate may be both relatively unstable and likely to accelerate to more violent activity during the early phases of a retrogressive collapse. Soufrière Hills Volcano, Montserrat has been erupting since 1995 and has produced numerous lava domes that have undergone repeated collapse events. We consider one continuous dome growth period, from August 2005 to May 2006 that resulted in a dome collapse event on 20th May 2006. The collapse event lasted 3 h, removing the whole dome plus dome remnants from a previous growth period in an unusually violent and rapid collapse event. We use an axisymmetrical computational Finite Element Method model for the growth and evolution of a lava dome. Our model comprises evolving core, carapace and talus components based on axisymmetrical endogenous dome growth, which permits us to model the interface between talus and core. Despite explicitly only modelling axisymmetrical endogenous dome growth our core–talus model simulates many of the observed growth characteristics of the 2005–2006 SHV lava dome well. Further, it is possible for our simulations to replicate large-scale exogenous characteristics when a considerable volume of talus has accumulated around the lower flanks of the dome. Model results suggest that dome core can override talus within a growing dome, potentially generating a region of significant weakness and a potential locus for collapse initiation.

Microbial relatives of the seed storage proteins of higher plants: conservation of structure and diversification of function during evolution of the cupin superfamily.

This review summarizes the recent discovery of the cupin superfamily (from the Latin term "cupa," a small barrel) of functionally diverse proteins that initially were limited to several higher plant proteins such as seed storage proteins, germin (an oxalate oxidase), germin-like proteins, and auxin-binding protein. Knowledge of the three-dimensional structure of two vicilins, seed proteins with a characteristic beta-barrel core, led to the identification of a small number of conserved residues and thence to the discovery of several microbial proteins which share these key amino acids. In particular, there is a highly conserved pattern of two histidine-containing motifs with a varied intermotif spacing. This cupin signature is found as a central component of many microbial proteins including certain types of phosphomannose isomerase, polyketide synthase, epimerase, and dioxygenase. In addition, the signature has been identified within the N-terminal effector domain in a subgroup of bacterial AraC transcription factors. As well as these single-domain cupins, this survey has identified other classes of two-domain bicupins including bacterial gentisate 1, 2-dioxygenases and 1-hydroxy-2-naphthoate dioxygenases, fungal oxalate decarboxylases, and legume sucrose-binding proteins. Cupin evolution is discussed from the perspective of the structure-function relationships, using data from the genomes of several prokaryotes, especially Bacillus subtilis. Many of these functions involve aspects of sugar metabolism and cell wall synthesis and are concerned with responses to abiotic stress such as heat, desiccation, or starvation. Particular emphasis is also given to the oxalate-degrading enzymes from microbes, their biological significance, and their value in a range of medical and other applications.

Nuclear magnetic resonance structure of the nucleic acid-binding domain of severe acute respiratory syndrome coronavirus nonstructural protein 3

The nuclear magnetic resonance (NMR) structure of a globular domain of residues 1071 to 1178 within the previously annotated nucleic acid-binding region (NAB) of severe acute respiratory syndrome coronavirus nonstructural protein 3 (nsp3) has been determined, and N- and C-terminally adjoining polypeptide segments of 37 and 25 residues, respectively, have been shown to form flexibly extended linkers to the preceding globular domain and to the following, as yet uncharacterized domain. This extension of the structural coverage of nsp3 was obtained from NMR studies with an nsp3 construct comprising residues 1066 to 1181 [ nsp3(1066-1181)] and the constructs nsp3(1066-1203) and nsp3(1035-1181). A search of the protein structure database indicates that the globular domain of the NAB represents a new fold, with a parallel four-strand beta-sheet holding two alpha-helices of three and four turns that are oriented antiparallel to the beta-strands. Two antiparallel two-strand beta-sheets and two 3(10)-helices are anchored against the surface of this barrel-like molecular core. Chemical shift changes upon the addition of single-stranded RNAs (ssRNAs) identified a group of residues that form a positively charged patch on the protein surface as the binding site responsible for the previously reported affinity for nucleic acids. This binding site is similar to the ssRNA-binding site of the sterile alpha motif domain of the Saccharomyces cerevisiae Vts1p protein, although the two proteins do not share a common globular fold.

Structure and biogenesis of the capsular F1 antigen from Yersinia pestis: Preserved folding energy drives fiber formation

Most gram-negative pathogens express fibrous adhesive virulence organelles that mediate targeting to the sites of infection. The F1 capsular antigen from the plague pathogen Yersinia pestis consists of linear fibers of a single subunit (Caf1) and serves as a prototype for nonpilus organelles assembled via the chaperone/usher pathway. Genetic data together with high-resolution X-ray structures corresponding to snapshots of the assembly process reveal the structural basis of fiber formation. Comparison of chaperone bound Caf1 subunit with the subunit in the fiber reveals a novel type of conformational change involving the entire hydrophobic core of the protein. The observed conformational change suggests that the chaperone traps a high-energy folding intermediate of Caf1. A model is proposed in which release of the subunit allows folding to be completed, driving fiber formation.