RGS-r, a retinal specific RGS protein, binds an intermediate conformation of transducin and enhances recycling

G proteins regulate intracellular signaling by coupling a cycle of guanine nucleotide binding and hydrolysis to transient changes of cellular functions. The mechanisms that control the recycling of transducin, the “pace-setting” G protein that regulates mammalian phototransduction, are unclear. We show that a novel retinal specific RGS-motif protein specifically binds to an intermediate conformation involved in GTP hydrolysis by transducin and accelerates phosphate release and the recycling of transducin. This specific interaction further rationalizes the kinetics of the phototransduction cascade and provides a general hypothesis to explain the mechanism of interaction of RGS proteins with other G proteins.

Interaction between HLA-DM and HLA-DR involves regions that undergo conformational changes at lysosomal pH

Antigenic peptide loading of major histocompatibility complex class II molecules is enhanced by lysosomal pH and catalyzed by the HLA-DM molecule. The physical mechanism behind the catalytic activity of DM was investigated by using time-resolved fluorescence anisotropy (TRFA) and fluorescence binding studies with the dye 8-anilino-1-naphthalenesulfonic acid (ANS). We demonstrate that the conformations of both HLA-DM and HLA-DR3, irrespective of the composition of bound peptide, are pH sensitive. Both complexes reversibly expose more nonpolar regions upon protonation. Interaction of DM with DR shields these hydrophobic domains from the aqueous environment, leading to stabilization of the DM and DR conformations. At lysosomal pH, the uncovering of additional hydrophobic patches leads to a more extensive DM–DR association. We propose that DM catalyzes class II peptide loading by stabilizing the low-pH conformation of DR, favoring peptide exchange. The DM–DR association involves a larger hydrophobic surface area with DR/class II-associated invariant chain peptides (CLIP) than with stable DR/peptide complexes, explaining the preferred association of DM with the former. The data support a release mechanism of DM from the DM–DR complex through reduction of the interactive surface, upon binding of class II molecules with antigenic peptide or upon neutralization of the DM–DR complex at the cell surface.

Structure and function in rhodopsin: Rhodopsin mutants with a neutral amino acid at E134 have a partially activated conformation in the dark state*

The Glu-134–Arg-135 residues in rhodopsin, located near the cytoplasmic end of the C helix, are involved in G protein binding, or activation, or both. Furthermore, the charge-neutralizing mutation Glu-134 to Gln-134 produces hyperactivity in the activated state and produces constitutive activity in opsin. The Glu/Asp-Arg charge pair is highly conserved in equivalent positions in other G protein-coupled receptors. To investigate the structural consequences of charge-neutralizing mutations at Glu-134 and Arg-135 in rhodopsin, single spin-labeled side chains were introduced at sites in the cytoplasmic domains of helices C (140), E (227), F (250), or G (316) to serve as “molecular sensors” of the local helix bundle conformation. In each of the spin-labeled rhodopsins, a Gln substitution was introduced at either Glu-134 or Arg-135, and the electron paramagnetic resonance spectrum of the spin label was used to monitor the structural response of the helix bundle. The results indicate that a Gln substitution at Glu-134 induces a photoactivated conformation around helices C and G even in the dark state, an observation of potential relevance to the hyperactivity and constitutive activity of the mutant. In contrast, little change is induced in helix F, which has been shown to undergo a dominant motion upon photoactivation. This result implies that the multiple helix motions accompanying photoactivation are not strongly coupled and can be induced to take place independently. Gln substitution at Arg-135 produces only minor structural changes in the dark- or light-activated conformation, suggesting that this residue is not a determinant of structure in the regions investigated, although it may be functionally important.

Conformational changes in tertiary structure near the ligand binding site of an integrin I domain

For efficient ligand binding, integrins must be activated. Specifically, a conformational change has been proposed in a ligand binding domain present within some integrins, the inserted (I) domain [Lee, J., Bankston, L., Arnaout, M. & Liddington, R. C. (1995) Structure (London) 3, 1333–1340]. This proposal remains controversial, however, despite extensive crystal structure studies on the I domain [Lee, J., Bankston, L., Arnaout, M. & Liddington, R. C. (1995) Structure (London) 3, 1333–1340; Liddington, R. & Bankston, L. (1998) Structure (London) 6, 937–938; Qu, A. & Leahy, D. J. (1996) Structure (London) 4, 931–942; and Baldwin, E. T., Sarver, R. W., Bryant, G. L., Jr., Curry, K. A., Fairbanks, M. B., Finzel, B. C., Garlick, R. L., Heinrikson, R. L., Horton, N. C. & Kelly, L. L. (1998) Structure (London) 6, 923–935]. By defining the residues present in the epitope of a mAb against the human Mac-1 integrin (αMβ2, CD11b/CD18) that binds only the active receptor, we provide biochemical evidence that the I domain itself undergoes a conformational change with activation. This mAb, CBRM1/5, binds the I domain very close to the ligand binding site in a region that is widely exposed regardless of activation as judged by reactivity with other antibodies. The conformation of the epitope differs in two crystal forms of the I domain, previously suggested to represent active and inactive receptor. Our data suggests that conformational differences in the I domain are physiologically relevant and not merely a consequence of different crystal lattice interactions. We also demonstrate that the transition between the two conformational states depends on species-specific residues at the bottom of the I domain, which are proposed to be in an interface with another integrin domain, and that this transition correlates with functional activity.

Influence of cisplatin intrastrand crosslinking on the conformation, thermal stability, and energetics of a 20-mer DNA duplex.

cis-Diamminedichloroplatinum(II) (cisplatin) is a widely used anticancer drug that binds to and crosslinks DNA. The major DNA adduct of the drug results from coordination of two adjacent guanine bases to platinum to form the intrastrand crosslink cis-[Pt(NH3)2[d(GpG)-N7(1), -N7(2)]] (cis-Pt-GG). In the present study, spectroscopic and calorimetric techniques were employed to characterize the influence of this crosslink on the conformation, thermal stability, and energetics of a site-specifically platinated 20-mer DNA duplex. CD spectroscopic and thermal denaturation data revealed that the crosslink alters the structure of the host duplex, consistent with a shift from a B-like to an A-like conformation; lowers its thermal stability by approximately 9 degrees C; and reduces its thermodynamic stability by 6.3 kcal/mol at 25 degrees C, most of which is enthalpic in origin; but it does not alter the two-state melting behavior exhibited by the parent, unmodified duplex, despite the significant crosslink-induced changes noted above. The energetic consequences of the cis-Pt-GG crosslink are discussed in relation to the structural perturbations it induces in DNA and to how these crosslink-induced perturbations might modulate protein binding.

Étude du rôle des régions variables 4 et 5 dans les changements de conformation de la gp120 du VIH-1

Le VIH infecte les cellules par fusion de sa membrane avec la membrane de la cellule cible. Cette fusion est effectuée par les glycoprotéines de l'enveloppe (Env) qui sont synthétisées en tant que précurseur, gp160, qui est ensuite clivé en gp120 et gp41. La protéine gp41 est la partie transmembranaire du complexe de l'enveloppe et l’ancre à la particule virale alors que la gp120 assure la liaison au récepteur cellulaire CD4 et corécepteur CCR5 ou CXCR4. Ces interactions successives induisent des changements de conformation d’Env qui alimentent le processus d'entrée du virus conduisant finalement à l'insertion du peptide de fusion de la gp41 dans la membrane de la cellule cible. La sous-unité extérieure gp120 contient cinq régions variables (V1 à V5), dont trois (V1, V2 et V3) étant capables d’empêcher l’adoption spontanée de la conformation liée à CD4. Cependant, le rôle de régions variables V4 et V5 vis-à-vis de ces changements de conformation reste inconnu. Pour étudier leur effet, des mutants de l'isolat primaire de clade B YU2, comprenant une délétion de la V5 ou une mutation au niveau de tous les sites potentiels de N-glycosylation de la V4 (PNGS), ont été générés. L'effet des mutations sur la conformation des glycoprotéines d'enveloppe a été analysé par immunoprécipitation et résonance de plasmon de surface avec des anticorps dont la liaison dépend de la conformation adopté par la gp120. Ni le retrait des PNGS de la V4 ni la délétion de V5 n’a affecté les changements conformationnels d’Env tels que mesurés par ces techniques, ce qui suggère que les régions variables V1, V2 et V3 sont les principaux acteurs dans la prévention de l’adoption de la conformation lié de CD4 d’Env.

IN VIVO analysis of ocular morphological changes during phakic accommodation

The principal theme of this thesis is the in vivo examination of ocular morphological changes during phakic accommodation, with particular attention paid to the ciliary muscle and crystalline lens. The investigations detailed involved the application of high-resolution imaging techniques to facilitate the acquisition of new data to assist in the clarification of aspects of the accommodative system that were poorly understood. A clinical evaluation of the newly available Grand Seiko Auto Ref/ Keratometer WAM-5500 optometer was undertaken to assess its value in the field of accommodation research. The device was found to be accurate and repeatable compared to subjective refraction, and has the added advantage of allowing dynamic data collection at a frequency of around 5 Hz. All of the subsequent investigations applied the WAM-5500 for determination of refractive error and objective accommodative responses. Anterior segment optical coherence tomography (AS-OCT) based studies examined the morphology and contractile response of youthful and ageing ciliary muscle. Nasal versus temporal asymmetry was identified, with the temporal aspect being both thicker and demonstrating a greater contractile response. The ciliary muscle was longer in terms of both its anterior (r = 0.49, P <0.001) and overall length (r = 0.45, P = 0.02) characteristics, in myopes. The myopic ciliary muscle does not appear to be merely stretched during axial elongation, as no significant relationship between thickness and refractive error was identified. The main contractile responses observed were a thickening of the anterior region and a shortening of the muscle, particularly anteriorly. Similar patterns of response were observed in subjects aged up to 70 years, supporting a lensocentric theory of presbyopia development. Following the discovery of nasal/ temporal asymmetry in ciliary muscle morphology and response, an investigation was conducted to explore whether the regional variations in muscle contractility impacted on lens stability during accommodation. A bespoke programme was developed to analyse AS-OCT images and determine whether lens tilt and decentration varied between the relaxed and accommodated states. No significant accommodative difference in these parameters was identified, implying that any changes in lens stability with accommodation are very slight, as a possible consequence of vitreous support. Novel three-dimensional magnetic resonance imaging (MRI) and analysis techniques were used to investigate changes in lens morphology and ocular conformation during accommodation. An accommodative reduction in lens equatorial diameter provides further evidence to support the Helmholtzian mechanism of accommodation, whilst the observed increase in lens volume challenges the widespread assertion that this structure is incompressible due to its high water content. Wholeeye MRI indicated that the volume of the vitreous chamber remains constant during accommodation. No significant changes in ocular conformation were detected using MRI. The investigations detailed provide further insight into the mechanisms of accommodation and presbyopia, and represent a platform for future work in this field.

Rôle de la conformation des glycoprotéines de l’enveloppe du VIH-1 dans la réponse cytotoxique cellulaire dépendante des anticorps et impact des protéines virales Nef et Vpu

Alors que d’énormes efforts sont mis de l’avant pour mettre en place des stratégies thérapeutiques contre l’infection au VIH-1, il est nécessaire de mieux cerner les déterminants viraux qui aideront à l’efficacité de celles-ci. En ce sens, une volumineuse littérature scientifique suggère que les anticorps contre le VIH-1 possédant une capacité à induire une réponse effectrice dépendante de leur portion Fc puissent jouer un rôle important dans la prévention de l’infection et dans la progression de la maladie. Cependant, peu d’information est disponible concernant les déterminants reconnus par ces anticorps et comment le virus s’en protège. Le but des travaux présentés dans cette thèse est donc d’élucider les mécanismes viraux contrôlant la reconnaissance des cellules infectées par ces anticorps capables d’induire une réponse effectrice. De par les corrélats de protection identifiés au cours de l’essai vaccinal RV144, les travaux présentés ici se concentrent sur la réponse cytotoxique dépendante des anticorps (ADCC), puisqu’il s’agit d’une réponse effectrice suggérée pour avoir joué un rôle dans la protection observée dans le RV144, seul essai vaccinal anti-VIH à avoir démontré un certain degré de protection. De plus, plusieurs anticorps capables d’induire cette réponse contre le VIH sont connus pour reconnaître les glycoprotéines de surface du virus (Env) dans une conformation dite ouverte, c’est-à-dire la conformation adoptée lors de la liaison d’Env avec son récepteur CD4 (épitopes CD4i). Nous avons mis au point deux techniques in vitro permettant d’étudier ces changements de conformation ainsi que leur impact sur la réponse ADCC. Les techniques mises au point, un ÉLISA sur base cellulaire pour mesurer les changements de conformation d’Env ainsi que la mesure de la réponse ADCC par cytométrie en flux, nous ont permis de démontrer comment le virus empêche l’exposition des épitopes d’Env CD4i. L’activité simultanée des protéines accessoires virales Nef et Vpu sur le retrait du récepteur CD4 de la surface des cellules infectées et l’inhibition du facteur de restriction Tétherine / BST-2 par Vpu contrôlent à la fois les niveaux d’Env et de CD4 à la surface cellulaire et donc modulent l’interaction Env-CD4 et ultimement la susceptibilité à la réponse ADCC contre les épitopes CD4i reconnus par des anticorps hautement prévalents lors de l’infection au VIH. Également, nous démontrons comment de petits composés mimant la liaison de CD4 sur Env sont capables de forcer l’exposition des épitopes CD4i, même en présence des protéines Nef et Vpu, et donc d’augmenter la susceptibilité des cellules infectées à la réponse ADCC. Une autre découverte présentée ici est la démonstration que la portion soluble d’Env produite par les cellules infectées peut interagir avec le récepteur CD4 des cellules non-infectées avoisinantes et induire leur reconnaissance et élimination par la réponse ADCC contre Env. Somme toute, la modulation de la réponse ADCC par l’interaction Env–CD4 représente un important pilier de la relation hôte – pathogène du VIH-1 de la perspective des réponses Fc-dépendantes. Les travaux présentés dans cette thèse ont le potentiel d’être utilisés dans l’élaboration de nouvelles stratégies antivirales tout en élargissant les connaissances fondamentales de cette interaction hôte – pathogène.

Rôle de la conformation des glycoprotéines de l’enveloppe du VIH-1 dans la réponse cytotoxique cellulaire dépendante des anticorps et impact des protéines virales Nef et Vpu

Alors que d’énormes efforts sont mis de l’avant pour mettre en place des stratégies thérapeutiques contre l’infection au VIH-1, il est nécessaire de mieux cerner les déterminants viraux qui aideront à l’efficacité de celles-ci. En ce sens, une volumineuse littérature scientifique suggère que les anticorps contre le VIH-1 possédant une capacité à induire une réponse effectrice dépendante de leur portion Fc puissent jouer un rôle important dans la prévention de l’infection et dans la progression de la maladie. Cependant, peu d’information est disponible concernant les déterminants reconnus par ces anticorps et comment le virus s’en protège. Le but des travaux présentés dans cette thèse est donc d’élucider les mécanismes viraux contrôlant la reconnaissance des cellules infectées par ces anticorps capables d’induire une réponse effectrice. De par les corrélats de protection identifiés au cours de l’essai vaccinal RV144, les travaux présentés ici se concentrent sur la réponse cytotoxique dépendante des anticorps (ADCC), puisqu’il s’agit d’une réponse effectrice suggérée pour avoir joué un rôle dans la protection observée dans le RV144, seul essai vaccinal anti-VIH à avoir démontré un certain degré de protection. De plus, plusieurs anticorps capables d’induire cette réponse contre le VIH sont connus pour reconnaître les glycoprotéines de surface du virus (Env) dans une conformation dite ouverte, c’est-à-dire la conformation adoptée lors de la liaison d’Env avec son récepteur CD4 (épitopes CD4i). Nous avons mis au point deux techniques in vitro permettant d’étudier ces changements de conformation ainsi que leur impact sur la réponse ADCC. Les techniques mises au point, un ÉLISA sur base cellulaire pour mesurer les changements de conformation d’Env ainsi que la mesure de la réponse ADCC par cytométrie en flux, nous ont permis de démontrer comment le virus empêche l’exposition des épitopes d’Env CD4i. L’activité simultanée des protéines accessoires virales Nef et Vpu sur le retrait du récepteur CD4 de la surface des cellules infectées et l’inhibition du facteur de restriction Tétherine / BST-2 par Vpu contrôlent à la fois les niveaux d’Env et de CD4 à la surface cellulaire et donc modulent l’interaction Env-CD4 et ultimement la susceptibilité à la réponse ADCC contre les épitopes CD4i reconnus par des anticorps hautement prévalents lors de l’infection au VIH. Également, nous démontrons comment de petits composés mimant la liaison de CD4 sur Env sont capables de forcer l’exposition des épitopes CD4i, même en présence des protéines Nef et Vpu, et donc d’augmenter la susceptibilité des cellules infectées à la réponse ADCC. Une autre découverte présentée ici est la démonstration que la portion soluble d’Env produite par les cellules infectées peut interagir avec le récepteur CD4 des cellules non-infectées avoisinantes et induire leur reconnaissance et élimination par la réponse ADCC contre Env. Somme toute, la modulation de la réponse ADCC par l’interaction Env–CD4 représente un important pilier de la relation hôte – pathogène du VIH-1 de la perspective des réponses Fc-dépendantes. Les travaux présentés dans cette thèse ont le potentiel d’être utilisés dans l’élaboration de nouvelles stratégies antivirales tout en élargissant les connaissances fondamentales de cette interaction hôte – pathogène.