Characterization of four bifunctional plant IAM/PAM-amidohydrolases capable of contributing to auxin biosynthesis.

Amidases [EC 3.5.1.4] capable of converting indole-3-acetamide (IAM) into the major plant growth hormone indole-3-acetic acid (IAA) are assumed to be involved in auxin de novo biosynthesis. With the emerging amount of genomics data, it was possible to identify over forty proteins with substantial homology to the already characterized amidases from Arabidopsis and tobacco. The observed high conservation of amidase-like proteins throughout the plant kingdom may suggest an important role of theses enzymes in plant development. Here, we report cloning and functional analysis of four, thus far, uncharacterized plant amidases from Oryza sativa, Sorghum bicolor, Medicago truncatula, and Populus trichocarpa. Intriguingly, we were able to demonstrate that the examined amidases are also capable of converting phenyl-2-acetamide (PAM) into phenyl-2-acetic acid (PAA), an auxin endogenous to several plant species including Arabidopsis. Furthermore, we compared the subcellular localization of the enzymes to that of Arabidopsis AMI1, providing further evidence for similar enzymatic functions. Our results point to the presence of a presumably conserved pathway of auxin biosynthesis via IAM, as amidases, both of monocot, and dicot origins, were analyzed.

Conversion of agonist site to metal-ion chelator site in the β2-adrenergic receptor

Previously metal-ion sites have been used as structural and functional probes in seven transmembrane receptors (7TM), but as yet all the engineered sites have been inactivating. Based on presumed agonist interaction points in transmembrane III (TM-III) and -VII of the β2-adrenergic receptor, in this paper we construct an activating metal-ion site between the amine-binding Asp-113 in TM-III—or a His residue introduced at this position—and a Cys residue substituted for Asn-312 in TM-VII. No increase in constitutive activity was observed in the mutant receptors. Signal transduction was activated in the mutant receptors not by normal catecholamine ligands but instead either by free zinc ions or by zinc or copper ions in complex with small hydrophobic metal-ion chelators. Chelation of the metal ions by small hydrophobic chelators such as phenanthroline or bipyridine protected the cells from the toxic effect of, for example Cu2+, and in several cases increased the affinity of the ions for the agonistic site. Wash-out experiments and structure–activity analysis indicated, that the high-affinity chelators and the metal ions bind and activate the mutant receptor as metal ion guided ligand complexes. Because of the well-understood binding geometry of the small metal ions, an important distance constraint has here been imposed between TM-III and -VII in the active, signaling conformation of 7TM receptors. It is suggested that atoxic metal-ion chelator complexes could possibly in the future be used as generic, pharmacologic tools to switch 7TM receptors with engineered metal-ion sites on or off at will.

ARD1, a 64-kDa bifunctional protein containing an 18-kDa GTP-binding ADP-ribosylation factor domain and a 46-kDa GTPase-activating domain.

The alpha subunits of the heterotrimeric guanine nucleotide-binding proteins (G proteins) hydrolyze GTP at a rate significantly higher than do most members of the Ras family of approximatelly 20-kDa GTP-binding proteins, which depend on a GTPase-activating protein (GAP) for acceleration of GTP hydrolysis. It has been demonstrated that an inserted domain in the G-protein alpha subunit, not present in the much smaller Ras-like proteins, is responsible for this difference [Markby, D. W., Onrust, R. & Bourne, H. R. (1993) Science 262, 1895-1900]. We report here that ARD1, a 64-kDa protein with an 18-kDa carboxyl-terminal ADP-ribosylation factor (ARF) domain, exhibited significant GTPase activity, whereas the ARF domain, expressed as a recombinant protein in Escherichia coli, did not. Addition of the 46-kDa amino-terminal extension (similarly synthesized in E. coli) to the GTP-binding ARF-domain of ARD1 enhanced GTPase activity and inhibited GDP dissociation. The kinetic properties of mixtures of the ARF and non-ARF domains were similar to those of an intact recombinant ARD1. Physical association of the two proteins was demonstrated directly by gel filtration and by using the immobilized non-ARF domain. Thus, like the alpha subunits of heterotrimeric G proteins, ARD1 appears to consist of two domains that interact to regulate the biological activity of the protein.

Molecular organization of histidine-tagged biomolecules at self-assembled lipid interfaces using a novel class of chelator lipids.

In molecular biology, the expression of fusion proteins is a very useful and well-established technique for the identification and one-step purification of gene products. Even a short fused sequence of five or six histidines enables proteins to bind to an immobilized metal ion chelate complex. By synthesis of a class of chelator lipids, we have transferred this approach to the concept of self-assembly. The specific interaction and lateral organization of a fluorescent fusion molecule containing a C-terminal oligohistidine sequence was studied by film balance techniques in combination with epifluorescence microscopy. Due to the phase behavior of the various lipid mixtures used, the chelator lipids can be laterally structured, generating two-dimensional arrays of histidine-tagged biomolecules. Because of the large variety of fusion proteins already available, this concept represents a powerful technique for orientation and organization of proteins at lipid interfaces with applications in biosensing, biofunctionalization of nanostructured interfaces, two-dimensional crystallization, and studies of lipid-anchored proteins.

Pyrimidine-Derived Prolinamides as Recoverable Bifunctional Organocatalysts for Enantioselective Inter- and Intramolecular Aldol Reactions under Solvent-Free Conditions

Chiral L-prolinamides 2 containing the (R,R)- and (S,S)-trans-cyclohexane-1,2-diamine scaffold and a 2-pyrimidinyl unit are synthesized and used as general organocatalysts for intermolecular and intramolecular aldol reactions with 1,6-hexanedioic acid as a co-catalyst under solvent-free conditions. The intermolecular reaction between ketone–aldehyde and aldehyde–aldehyde must be performed under wet conditions with catalyst (S,S)-2b at 10 °C, which affords anti-aldols with high regio-, diastereo-, and enantioselectivities. For the Hajos–Parrish–Eder–Sauer–Wiechert reaction, both diastereomers of catalyst 2 give similar results at room temperature in the absence of water to give the corresponding Wieland–Miescher ketone and derivatives. Both types of reactions were scaled up to 1 g, and the organocatalysts were recovered by extractive workup and reused without any appreciable loss in activity. DFT calculations support the stereochemical results of the intermolecular process and the bifunctional role played by the organocatalyst by providing a computational comparison of the H-bonding networks occurring with catalysts 2a and 2b.

Bifunctional primary amine 2-aminobenzimidazole organocatalyst anchored to trans-cyclohexane-1,2-diamine in enantioselective conjugate additions of aldehydes

Bifunctional chiral primary amine 8 containing an (S,S)-trans-cyclohexane-1,2-diamine scaffold and a 2-benzimidazole unit is used as a general organocatalyst for the Michael addition of α,α-branched aldehydes to nitroalkenes and maleimides. The reactions take place, with 20 mol % of catalyst in dichloromethane at rt for nitroalkenes and with 15 mol % catalyst loading in toluene at 10 °C for maleimides, in good yields and enantioselectivities. DFT calculations demonstrate the bifunctional character of this organocatalyst activating the aldehyde by enamine formation and the Michael acceptor by double hydrogen bonding.

Design and synthesis of constrained azacyclic pyrrolidine analogues of FTY720 as anticancer agents & metal coordination-controlled and bifunctional catalysis toward tertiary β-Ketols

Cette thèse se compose en deux parties: Première Partie: La conception et la synthèse d’analogues pyrrolidiniques, utilisés comme agents anticancéreux, dérivés du FTY720. FTY720 est actuellement commercialisé comme médicament (GilenyaTM) pour le traitement de la sclérose en plaques rémittente-récurrente. Il agit comme immunosuppresseur en raison de son effet sur les récepteurs de la sphingosine-1-phosphate. A fortes doses, FTY720 présente un effet antinéoplasique. Cependant, à de telles doses, un des effets secondaires observé est la bradycardie dû à l’activation des récepteurs S1P1 et S1P3. Ceci limite son potentiel d’utilisation lors de chimiothérapie. Nos précédentes études ont montré que des analogues pyrrolidiniques dérivés du FTY720 présentaient une activité anticancéreuse mais aucune sur les récepteurs S1P1 et S1P3. Nous avons soumis l’idée qu’une étude relation structure-activité (SARs) pourrait nous conduire à la découverte de nouveaux agents anti tumoraux. Ainsi, deux séries de composés pyrrolidiniques (O-arylmethyl substitué et C-arylmethyl substitué) ont pu être envisagés et synthétisés (Chapitre 1). Ces analogues ont montré d’excellentes activités cytotoxiques contre diverses cellules cancéreuses humaines (prostate, colon, sein, pancréas et leucémie), plus particulièrement les analogues actifs qui ne peuvent pas être phosphorylés par SphK, présentent un plus grand potentiel pour le traitement du cancer sans effet secondaire comme la bradycardie. Les études mécanistiques suggèrent que ces analogues de déclencheurs de régulation négative sur les transporteurs de nutriments induisent une crise bioénergétique en affamant les cellules cancéreuses. Afin d’approfondir nos connaissances sur les récepteurs cibles, nous avons conçu et synthétisé des sondes diazirine basées sur le marquage d’affinité aux photons (méthode PAL: Photo-Affinity Labeling) (Chapitre 2). En s’appuyant sur la méthode PAL, il est possible de récolter des informations sur les récepteurs cibles à travers l’analyse LC/MS/MS de la protéine. Ces tests sont en cours et les résultats sont prometteurs. Deuxième partie: Coordination métallique et catalyse di fonctionnelle de dérivés β-hydroxy cétones tertiaires. Les réactions de Barbier et de Grignard sont des méthodes classiques pour former des liaisons carbone-carbone, et généralement utilisées pour la préparation d’alcools secondaires et tertiaires. En vue d’améliorer la réaction de Grignard avec le 1-iodobutane dans les conditions « one-pot » de Barbier, nous avons obtenu comme produit majoritaire la β-hydroxy cétone provenant de l’auto aldolisation de la 5-hexen-2-one, plutôt que le produit attendu d’addition de l’alcool (Chapitre 3). La formation inattendue de la β-hydroxy cétone a également été observée en utilisant d’autres dérivés méthyl cétone. Étonnement dans la réaction intramoléculaire d’une tricétone, connue pour former la cétone Hajos-Parrish, le produit majoritaire est rarement la β-hydroxy cétone présentant la fonction alcool en position axiale. Intrigué par ces résultats et après l’étude systématique des conditions de réaction, nous avons développé deux nouvelles méthodes à travers la synthèse sélective et catalytique de β-hydroxy cétones spécifiques par cyclisation intramoléculaire avec des rendements élevés (Chapitre 4). La réaction peut être catalysée soit par une base adaptée et du bromure de lithium comme additif en passant par un état de transition coordonné au lithium, ou bien soit à l’aide d’un catalyseur TBD di fonctionnel, via un état de transition médiée par une coordination bidenté au TBD. Les mécanismes proposés ont été corroborés par calcul DFT. Ces réactions catalytiques ont également été appliquées à d’autres substrats comme les tricétones et les dicétones. Bien que les efforts préliminaires afin d’obtenir une enantioselectivité se sont révélés sans succès, la synthèse et la recherche de nouveaux catalyseurs chiraux sont en cours.

Design and synthesis of constrained azacyclic pyrrolidine analogues of FTY720 as anticancer agents & metal coordination-controlled and bifunctional catalysis toward tertiary β-Ketols

Cette thèse se compose en deux parties: Première Partie: La conception et la synthèse d’analogues pyrrolidiniques, utilisés comme agents anticancéreux, dérivés du FTY720. FTY720 est actuellement commercialisé comme médicament (GilenyaTM) pour le traitement de la sclérose en plaques rémittente-récurrente. Il agit comme immunosuppresseur en raison de son effet sur les récepteurs de la sphingosine-1-phosphate. A fortes doses, FTY720 présente un effet antinéoplasique. Cependant, à de telles doses, un des effets secondaires observé est la bradycardie dû à l’activation des récepteurs S1P1 et S1P3. Ceci limite son potentiel d’utilisation lors de chimiothérapie. Nos précédentes études ont montré que des analogues pyrrolidiniques dérivés du FTY720 présentaient une activité anticancéreuse mais aucune sur les récepteurs S1P1 et S1P3. Nous avons soumis l’idée qu’une étude relation structure-activité (SARs) pourrait nous conduire à la découverte de nouveaux agents anti tumoraux. Ainsi, deux séries de composés pyrrolidiniques (O-arylmethyl substitué et C-arylmethyl substitué) ont pu être envisagés et synthétisés (Chapitre 1). Ces analogues ont montré d’excellentes activités cytotoxiques contre diverses cellules cancéreuses humaines (prostate, colon, sein, pancréas et leucémie), plus particulièrement les analogues actifs qui ne peuvent pas être phosphorylés par SphK, présentent un plus grand potentiel pour le traitement du cancer sans effet secondaire comme la bradycardie. Les études mécanistiques suggèrent que ces analogues de déclencheurs de régulation négative sur les transporteurs de nutriments induisent une crise bioénergétique en affamant les cellules cancéreuses. Afin d’approfondir nos connaissances sur les récepteurs cibles, nous avons conçu et synthétisé des sondes diazirine basées sur le marquage d’affinité aux photons (méthode PAL: Photo-Affinity Labeling) (Chapitre 2). En s’appuyant sur la méthode PAL, il est possible de récolter des informations sur les récepteurs cibles à travers l’analyse LC/MS/MS de la protéine. Ces tests sont en cours et les résultats sont prometteurs. Deuxième partie: Coordination métallique et catalyse di fonctionnelle de dérivés β-hydroxy cétones tertiaires. Les réactions de Barbier et de Grignard sont des méthodes classiques pour former des liaisons carbone-carbone, et généralement utilisées pour la préparation d’alcools secondaires et tertiaires. En vue d’améliorer la réaction de Grignard avec le 1-iodobutane dans les conditions « one-pot » de Barbier, nous avons obtenu comme produit majoritaire la β-hydroxy cétone provenant de l’auto aldolisation de la 5-hexen-2-one, plutôt que le produit attendu d’addition de l’alcool (Chapitre 3). La formation inattendue de la β-hydroxy cétone a également été observée en utilisant d’autres dérivés méthyl cétone. Étonnement dans la réaction intramoléculaire d’une tricétone, connue pour former la cétone Hajos-Parrish, le produit majoritaire est rarement la β-hydroxy cétone présentant la fonction alcool en position axiale. Intrigué par ces résultats et après l’étude systématique des conditions de réaction, nous avons développé deux nouvelles méthodes à travers la synthèse sélective et catalytique de β-hydroxy cétones spécifiques par cyclisation intramoléculaire avec des rendements élevés (Chapitre 4). La réaction peut être catalysée soit par une base adaptée et du bromure de lithium comme additif en passant par un état de transition coordonné au lithium, ou bien soit à l’aide d’un catalyseur TBD di fonctionnel, via un état de transition médiée par une coordination bidenté au TBD. Les mécanismes proposés ont été corroborés par calcul DFT. Ces réactions catalytiques ont également été appliquées à d’autres substrats comme les tricétones et les dicétones. Bien que les efforts préliminaires afin d’obtenir une enantioselectivité se sont révélés sans succès, la synthèse et la recherche de nouveaux catalyseurs chiraux sont en cours.

PCTH: A novel orally active chelator for the treatment of iron overload disease

Our laboratories have prepared a novel class of iron (Fe) chelators of the 2-pyridylcarboxaldehyde isonicotinoyl hydrazone (PCIH) class. This article will review the iron chelation efficacy of this series of chelators, both in cell culture and in animal models. Several PCIH analogs were shown to be effective at inducing iron mobilization and preventing iron uptake from the iron-transport protein, transferrin. Moreover, several of these ligands were effective at permeating the mitochondrion and inducing iron release. Studies in mice demonstrated that the PCIH analog, PCTH, was orally active and well tolerated by mice at doses ranging from 50 to 100 mg kg(-1) , twice daily (b.d.). A dose-dependent increase in fecal Fe-59 excretion was observed in the PCTH-treated group. This level of iron excretion was similar to that found for the orally effective chelators, pyridoxal isonicotinoyl hydrazone (PIH) and deferiprone (L1). The PCIH group of ligands clearly has the potential for the treatment of ss-thalassemia (thal) and Friedreich's Ataxia (FA).

Reactive processing of polymers:effect of bifunctional and tri-functional comonomers on melt grafting of glycidyl methacrylate onto polypropylene

Two reactive comonomers, divinyl benzene (DVB) and trimethylolpropane triacrylate (TRIS), were evaluated for their role in effecting the melt free radical grafting reaction of the monomer glycidyl methacrylate (GMA) onto polypropylene (PP). The characteristics of the GMA-grafting systems in the presence and absence of DVB or TRIS were examined and compared in terms of the yield of the grafting reaction and the extent of the main side reactions, namely homopolymerisation of GMA (poly-GMA) and polymer degradation, using different chemical compositions of the reactive systems and processing conditions. In the absence of the comonomers, i.e. in a conventional system, high initiator concentrations of peroxides were typically required to achieve the highest possible GMA grafting levels which were found to be generally low. Concomitantly, both poly-GMA and degradation of the polymer by chain scission takes place with increasing initiator amounts. On the other hand, the presence of a small amount of the comonomers, DVB or Tris, in the GMA-grafting system, was shown to bring about a significant increase in the grafting level paralleled by a large reduction in poly-GMA and PP degradation. In the presence of these highly reactive comonomers, the optimum grafting system requires a much lower concentration of the peroxide initiator and, consequently, would lead to the much lower degree of polymer degradation observed in these systems. The differences in the effects of the presence of DVB and that of TRIS in the grafting systems on the rate of the GMA-grafting and homopolymerisation reactions, and the extent of PP degradation (through melt flow changes), were compared and contrasted with a conventional GMA-grafting system.

Bifunctional SO4/ZrO2 catalysts for 5-hydroxymethylfufural (5-HMF) production from glucose

The telescopic conversion of glucose to fructose and then 5-hydroxymethylfurfural (5-HMF), the latter a potential, bio-derived platform chemical feedstock, has been explored over a family of bifunctional sulfated zirconia catalysts possessing tuneable acid-base properties. Characterisation by acid-base titration, XPS, XRD and Raman reveal that submonolayer SO4 coverages offer the ideal balance of basic and Lewis-Brønsted acid sites required to respectively isomerise glucose to fructose, and subsequently dehydrate fructose to 5-HMF. A constant acid site normalised turnover frequency is observed for fructose dehydration to 5-HMF, confirming a common Brønsted acid site is responsible for this transformation. This journal is © The Royal Society of Chemistry.

Bifunctional SO4/ZrO2 catalysts for 5-hydroxymethylfufural (5-HMF) production from glucose

The telescopic conversion of glucose to fructose and then 5-hydroxymethylfurfural (5-HMF), the latter a potential, bio-derived platform chemical feedstock, has been explored over a family of bifunctional sulfated zirconia catalysts possessing tuneable acid-base properties. Characterisation by acid-base titration, XPS, XRD and Raman reveal that submonolayer SO4 coverages offer the ideal balance of basic and Lewis-Brønsted acid sites required to respectively isomerise glucose to fructose, and subsequently dehydrate fructose to 5-HMF. A constant acid site normalised turnover frequency is observed for fructose dehydration to 5-HMF, confirming a common Brønsted acid site is responsible for this transformation. This journal is © The Royal Society of Chemistry.