A lipocalin sequence signature modulates cell survival

Lipocalins are beta-barrel proteins, which share three conserved motifs in their amino acid sequence. In this study, we identified by a peptide mapping approach, a seven-amino acid sequence related to one of these motifs (motif 2) that modulates cell survival. A synthetic peptide based on an insect lipocalin displayed cytoprotective activity in serum-deprived endothelial cells and leucocytes. This activity was dependent on nitric oxide synthase. This sequence was found within several lipocalins, including apolipoprotein D, retinol binding protein, lipocalin-type prostaglandin D synthase, and many unknown proteins, suggesting that it is a sequence signature and a lipocalin conserved property. (C) 2010 Federation of European Biochemical Societies. Published by Elsevier B. V. All rights reserved.

Unlocking hidden genomic sequence

Despite the success of conventional Sanger sequencing, significant regions of many genomes still present major obstacles to sequencing. Here we propose a novel approach with the potential to alleviate a wide range of sequencing difficulties. The technique involves extracting target DNA sequence from variants generated by introduction of random mutations. The introduction of mutations does not destroy original sequence information, but distributes it amongst multiple variants. Some of these variants lack problematic features of the target and are more amenable to conventional sequencing. The technique has been successfully demonstrated with mutation levels up to an average 18% base substitution and has been used to read previously intractable poly(A), AT-rich and GC-rich motifs.

Overlapping motifs in the membrane-proximal region of cytokine receptor accessory and signaling subunits

The membrane-proximal cytoplasmic region of cytokine receptors (CRs) is highly conserved and essential for receptor activation. In particular this region is essential for the activation of members of the Janus family of protein kinases (JAK) which results in initiation of receptor signaling. We have examined the sequence of this region in a number of CR signaling and accessory subunits with a view to better delineating motifs that play an important role in initiating receptor activity. Here, we have delineated two distinct proline-rich motifs in the membrane-proximal domains of cytokine receptors. Their configuration and distribution among CR subunits strongly suggest a model in which the two motifs act in a concerted manner to induce full receptor and JAK activation. (C) 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Novel gene containing multiple epidermal growth factor-like motifs transiently expressed in the papillae of the ascidian tadpole larvae

We have investigated molecular mechanisms of the embryonic development of an ascidian, a primitive chordate which shares features of both invertebrates and vertebrates, with a view to identifying genes involved in development and metamorphosis, We isolated 12 partial cDNA sequences which were expressed in a stage-specific manner using differential display, We report here the isolation of a full-length cDNA sequence for one of these genes which was specifically expressed during the tailbud and larval stages of ascidian development, This cDNA, 1213 bp in length, is predicted to encode a protein of 337 amino acids containing four epidermal growth factor (EGF)-like repeats and three novel cysteine-rich repeats, Characterization of its spatial expression pattern by in situ hybridisation in late tailbud and larval embryos demonstrated strong expression localised throughout the papillae and anteriormost trunk and weaker expression in the epidermis of the remainder of the embryo, As recent evidence indicates that the signal for metamorphosis originates in the anterior trunk region, these results suggest that this gene may have a role in signalling the initiation of metamorphosis. (C) 1997 Wiley-Liss, Inc.

Sequence conservation in Plasmodium falciparum alpha-helical coiled coil domains proposed for vaccine development.

BACKGROUND: The availability of the P. falciparum genome has led to novel ways to identify potential vaccine candidates. A new approach for antigen discovery based on the bioinformatic selection of heptad repeat motifs corresponding to alpha-helical coiled coil structures yielded promising results. To elucidate the question about the relationship between the coiled coil motifs and their sequence conservation, we have assessed the extent of polymorphism in putative alpha-helical coiled coil domains in culture strains, in natural populations and in the single nucleotide polymorphism data available at PlasmoDB. METHODOLOGY/PRINCIPAL FINDINGS: 14 alpha-helical coiled coil domains were selected based on preclinical experimental evaluation. They were tested by PCR amplification and sequencing of different P. falciparum culture strains and field isolates. We found that only 3 out of 14 alpha-helical coiled coils showed point mutations and/or length polymorphisms. Based on promising immunological results 5 of these peptides were selected for further analysis. Direct sequencing of field samples from Papua New Guinea and Tanzania showed that 3 out of these 5 peptides were completely conserved. An in silico analysis of polymorphism was performed for all 166 putative alpha-helical coiled coil domains originally identified in the P. falciparum genome. We found that 82% (137/166) of these peptides were conserved, and for one peptide only the detected SNPs decreased substantially the probability score for alpha-helical coiled coil formation. More SNPs were found in arrays of almost perfect tandem repeats. In summary, the coiled coil structure prediction was rarely modified by SNPs. The analysis revealed a number of peptides with strictly conserved alpha-helical coiled coil motifs. CONCLUSION/SIGNIFICANCE: We conclude that the selection of alpha-helical coiled coil structural motifs is a valuable approach to identify potential vaccine targets showing a high degree of conservation.

Basal and antigen-induced exposure of the proline-rich sequence in CD3ε.

The CD3ε cytoplasmic tail contains a conserved proline-rich sequence (PRS) that influences TCR-CD3 expression and signaling. Although the PRS can bind the SH3.1 domain of the cytosolic adapter Nck, whether the PRS is constitutively available for Nck binding or instead represents a cryptic motif that is exposed via conformational change upon TCR-CD3 engagement (CD3Δc) is currently unresolved. Furthermore, the extent to which a cis-acting CD3ε basic amino acid-rich stretch (BRS), with its unique phosphoinositide-binding capability, might impact PRS accessibility is not clear. In this study, we found that freshly harvested primary thymocytes expressed low to moderate basal levels of Nck-accessible PRS ("open-CD3"), although most TCR-CD3 complexes were inaccessible to Nck ("closed-CD3"). Ag presentation in vivo induced open-CD3, accounting for half of the basal level found in thymocytes from MHC(+) mice. Additional stimulation with either anti-CD3 Abs or peptide-MHC ligands further elevated open-CD3 above basal levels, consistent with a model wherein antigenic engagement induces maximum PRS exposure. We also found that the open-CD3 conformation induced by APCs outlasted the time of ligand occupancy, marking receptors that had been engaged. Finally, CD3ε BRS-phosphoinositide interactions played no role in either adoption of the initial closed-CD3 conformation or induction of open-CD3 by Ab stimulation. Thus, a basal level of open-CD3 is succeeded by a higher, induced level upon TCR-CD3 engagement, involving CD3Δc and prolonged accessibility of the CD3ε PRS to Nck.

Complete genome sequence of a clinical Bordetella pertussis isolate from Brazil

There has been a resurgence in the number of pertussis cases in Brazil and around the world. Here, the genome of a clinical Bordetella pertussis strain (Bz181) that was recently isolated in Brazil is reported. Analysis of the virulence-associated genes defining the pre- and post-vaccination lineages revealed the presence of the prn2-ptxS1A-fim3B-ptxP3 allelic profile in Bz181, which is characteristic of the current pandemic lineage. A putative metallo-β-lactamase gene presenting all of the conserved zinc-binding motifs that characterise the catalytic site was identified, in addition to a multidrug efflux pump of the RND family that could confer resistance to erythromycin, which is the antibiotic of choice for treating pertussis disease.

Sequence determinants of a microtubule tip localization signal (MtLS).

Microtubule plus-end-tracking proteins (+TIPs) specifically localize to the growing plus-ends of microtubules to regulate microtubule dynamics and functions. A large group of +TIPs contain a short linear motif, SXIP, which is essential for them to bind to end-binding proteins (EBs) and target microtubule ends. The SXIP sequence site thus acts as a widespread microtubule tip localization signal (MtLS). Here we have analyzed the sequence-function relationship of a canonical MtLS. Using synthetic peptide arrays on membrane supports, we identified the residue preferences at each amino acid position of the SXIP motif and its surrounding sequence with respect to EB binding. We further developed an assay based on fluorescence polarization to assess the mechanism of the EB-SXIP interaction and to correlate EB binding and microtubule tip tracking of MtLS sequences from different +TIPs. Finally, we investigated the role of phosphorylation in regulating the EB-SXIP interaction. Together, our results define the sequence determinants of a canonical MtLS and provide the experimental data for bioinformatics approaches to carry out genome-wide predictions of novel +TIPs in multiple organisms.

The extended GLUT-family of sugar/polyol transport facilitators: nomenclature, sequence characteristics, and potential function of its novel members (review).

During the last 2 years, several novel genes that encode glucose transporter-like proteins have been identified and characterized. Because of their sequence similarity with GLUT1, these genes appear to belong to the family of solute carriers 2A (SLC2A, protein symbol GLUT). Sequence comparisons of all 13 family members allow the definition of characteristic sugar/polyol transporter signatures: (1) the presence of 12 membrane-spanning helices, (2) seven conserved glycine residues in the helices, (3) several basic and acidic residues at the intracellular surface of the proteins, (4) two conserved tryptophan residues, and (5) two conserved tyrosine residues. On the basis of sequence similarities and characteristic elements, the extended GLUT family can be divided into three subfamilies, namely class I (the previously known glucose transporters GLUT1-4), class II (the previously known fructose transporter GLUT5, the GLUT7, GLUT9 and GLUT11), and class III (GLUT6, 8, 10, 12, and the myo-inositol transporter HMIT1). Functional characteristics have been reported for some of the novel GLUTs. Like GLUT1-4, they exhibit a tissue/cell-specific expression (GLUT6, leukocytes, brain; GLUT8, testis, blastocysts, brain, muscle, adipocytes; GLUT9, liver, kidney; GLUT10, liver, pancreas; GLUT11, heart, skeletal muscle). GLUT6 and GLUT8 appear to be regulated by sub-cellular redistribution, because they are targeted to intra-cellular compartments by dileucine motifs in a dynamin dependent manner. Sugar transport has been reported for GLUT6, 8, and 11; HMIT1 has been shown to be a H+/myo-inositol co-transporter. Thus, the members of the extended GLUT family exhibit a surprisingly diverse substrate specificity, and the definition of sequence elements determining this substrate specificity will require a full functional characterization of all members.

DAI/ZBP1 recruits RIP1 and RIP3 through RIP homotypic interaction motifs to activate NF-kappaB.

Detection of viral nucleic acids is central to antiviral immunity. Recently, DAI/ZBP1 (DNA-dependent activator of IRFs/Z-DNA binding protein 1) was identified as a cytoplasmic DNA sensor and shown to activate the interferon regulatory factor (IRF) and nuclear factor-kappa B (NF-kappaB) transcription factors, leading to type-I interferon production. DAI-induced IRF activation depends on TANK-binding kinase 1 (TBK1), whereas signalling pathways and molecular components involved in NF-kappaB activation remain elusive. Here, we report the identification of two receptor-interacting protein (RIP) homotypic interaction motifs (RHIMs) in the DAI protein sequence, and show that these domains relay DAI-induced NF-kappaB signals through the recruitment of the RHIM-containing kinases RIP1 and RIP3. We show that knockdown of not only RIP1, but also RIP3 affects DAI-induced NF-kappaB activation. Importantly, RIP recruitment to DAI is inhibited by the RHIM-containing murine cytomegalovirus (MCMV) protein M45. These findings delineate the DAI signalling pathway to NF-kappaB and suggest a possible new immune modulation strategy of the MCMV.

Structural motifs of biomolecules.

Biomolecular structures are assemblies of emergent anisotropic building modules such as uniaxial helices or biaxial strands. We provide an approach to understanding a marginally compact phase of matter that is occupied by proteins and DNA. This phase, which is in some respects analogous to the liquid crystal phase for chain molecules, stabilizes a range of shapes that can be obtained by sequence-independent interactions occurring intra- and intermolecularly between polymeric molecules. We present a singularity-free self-interaction for a tube in the continuum limit and show that this results in the tube being positioned in the marginally compact phase. Our work provides a unified framework for understanding the building blocks of biomolecules.

The UlaG protein familly defines novel structural and functional motifs grafted on an ancient RNase fold

Background: Bacterial populations are highly successful at colonizing new habitats and adapting to changing environmental conditions, partly due to their capacity to evolve novel virulence and metabolic pathways in response to stress conditions and to shuffle them by horizontal gene transfer (HGT). A common theme in the evolution of new functions consists of gene duplication followed by functional divergence. UlaG, a unique manganese-dependent metallo-b-lactamase (MBL) enzyme involved in L-ascorbate metabolism by commensal and symbiotic enterobacteria, provides a model for the study of the emergence of new catalytic activities from the modification of an ancient fold. Furthermore, UlaG is the founding member of the so-called UlaG-like (UlaGL) protein family, a recently established and poorly characterized family comprising divalent (and perhaps trivalent)metal-binding MBLs that catalyze transformations on phosphorylated sugars and nucleotides. Results: Here we combined protein structure-guided and sequence-only molecular phylogenetic analyses to dissect the molecular evolution of UlaG and to study its phylogenomic distribution, its relatedness with present-day UlaGL protein sequences and functional conservation. Phylogenetic analyses indicate that UlaGL sequences are present in Bacteria and Archaea, with bona fide orthologs found mainly in mammalian and plant-associated Gramnegative and Gram-positive bacteria. The incongruence between the UlaGL tree and known species trees indicates exchange by HGT and suggests that the UlaGL-encoding genes provided a growth advantage under changing conditions. Our search for more distantly related protein sequences aided by structural homology has uncovered that UlaGL sequences have a common evolutionary origin with present-day RNA processing and metabolizing MBL enzymes widespread in Bacteria, Archaea, and Eukarya. This observation suggests an ancient origin for the UlaGL family within the broader trunk of the MBL superfamily by duplication, neofunctionalization and fixation. Conclusions: Our results suggest that the forerunner of UlaG was present as an RNA metabolizing enzyme in the last common ancestor, and that the modern descendants of that ancestral gene have a wide phylogenetic distribution and functional roles. We propose that the UlaGL family evolved new metabolic roles among bacterial and possibly archeal phyla in the setting of a close association with metazoans, such as in the mammalian gastrointestinal tract or in animal and plant pathogens, as well as in environmental settings. Accordingly, the major evolutionary forces shaping the UlaGL family include vertical inheritance and lineage-specific duplication and acquisition of novel metabolic functions, followed by HGT and numerous lineage-specific gene loss events.

Représentation et recherche de motifs cycliques et structuraux d’ARN connus dans les structures secondaires

L'acide désoxyribonucléique (ADN) et l'acide ribonucléique (ARN) sont des polymères de nucléotides essentiels à la cellule. À l'inverse de l'ADN qui sert principalement à stocker l'information génétique, les ARN sont impliqués dans plusieurs processus métaboliques. Par exemple, ils transmettent l’information génétique codée dans l’ADN. Ils sont essentiels pour la maturation des autres ARN, la régulation de l’expression génétique, la prévention de la dégradation des chromosomes et le ciblage des protéines dans la cellule. La polyvalence fonctionnelle de l'ARN résulte de sa plus grande diversité structurale. Notre laboratoire a développé MC-Fold, un algorithme pour prédire la structure des ARN qu'on représente avec des graphes d'interactions inter-nucléotidiques. Les sommets de ces graphes représentent les nucléotides et les arêtes leurs interactions. Notre laboratoire a aussi observé qu'un petit ensemble de cycles d'interactions à lui seul définit la structure de n'importe quel motif d'ARN. La formation de ces cycles dépend de la séquence de nucléotides et MC-Fold détermine les cycles les plus probables étant donnée cette séquence. Mon projet de maîtrise a été, dans un premier temps, de définir une base de données des motifs structuraux et fonctionnels d'ARN, bdMotifs, en terme de ces cycles. Par la suite, j’ai implanté un algorithme, MC-Motifs, qui recherche ces motifs dans des graphes d'interactions et, entre autres, ceux générés par MC-Fold. Finalement, j’ai validé mon algorithme sur des ARN dont la structure est connue, tels que les ARN ribosomaux (ARNr) 5S, 16S et 23S, et l'ARN utilisé pour prédire la structure des riborégulateurs. Le mémoire est divisé en cinq chapitres. Le premier chapitre présente la structure chimique, les fonctions cellulaires de l'ARN et le repliement structural du polymère. Dans le deuxième chapitre, je décris la base de données bdMotifs. Dans le troisième chapitre, l’algorithme de recherche MC-Motifs est introduit. Le quatrième chapitre présente les résultats de la validation et des prédictions. Finalement, le dernier chapitre porte sur la discussion des résultats suivis d’une conclusion sur le travail.

Synthèse stéréosélective de motifs polypropionates via la chimie des radicaux : application à l'élaboration de l'hémisphère ouest de la narasine

Cet ouvrage traite principalement de la synthèse de motifs polypropionates de type stéréopentade ainsi qu’une application à la synthèse d’une molécule naturelle possèdant des propriétés biologiques. La stratégie envisagée pour l’élaboration de ces motifs récurrents dans plusieurs structures d’origine naturelle fait appel à la chimie des radicaux. Cette thèse se divise en différents chapitres dans lesquels la versatilité de la méthodologie développée sera démontrée. En premier lieu, il sera question de présenter l’importance de la synthèse de motifs polypropionates. Le domaine couvert par la chimie de ces molécules complexes hautement fonctionnalisées a contribué énormément à l’avancement de nos connaissances en synthèse organique, particulièrement dans le contexte des réactions impliquant des molécules acyliques. Une brève description des méthodes connues est présentée afin de saisir l’étendue des défis restants pour construire efficacement tous les isomères possibles des polypropionates de type stéréopentade. La stratégie proposée est basée sur une approche contrôlée entièrement par le substrat. Ce contrôle s’appuie sur le choix judicieux de l’acide de Lewis activant les deux réactions impliquées, soit la réaction de Mukaiyama et le transfert d’hydrogène. La seconde section de cette thèse concerne principalement le développement d’une réaction de Mukaiyama impliquant un éther d’énol silylé portant un lien pouvant être homolytiquement brisé dans la réaction suivante et un aldéhyde de type propionate. Le contrôle de l’aldolisation provient de la nature de l’acide de Lewis. Une espèce monodentate (BF3·OEt2) génère une relation 3,4-syn selon le modèle dit Felkin-Anh tandis que les acides de Lewis bidentates mènent à la relation 3,4-anti via un état de transition définit comme Cram-chélate. Une optimisation des conditions réactionnelles en variant l’acidité et la stoechiométrie de l’acide de Lewis de titane a permis de construire diastéréosélectivement le produit de Mukaiyama ayant une relation 3,4-anti. En outre, la nature des complexes impliqués dans ces réactions a été élucidée par des études RMN 13C à basse température. Une fois les précurseurs radicalaires synthétisés, notre méthodologie de réduction par transfert d’hydrogène contrôlée également par les acides de Lewis s’avère très efficace. Les acides de Lewis dérivés d’aluminium mènent sélectivement à la relation 2,3-syn selon un contrôle endocyclique tandis que les acides de Lewis de bore permettent la création des relations 2,3-anti en se basant sur une stabilisation par les divers facteurs de contrôle de molécules acycliques. Cette stratégie novatrice nous a ainsi permis de construire efficacement les 16 diastéréoisomères possibles. Le chapitre suivant concerne l’application de cette méthodologie à la synthèse de l’hémisphère ouest de la salinomycine et de la narasine. Plusieurs défis synthétiques ont été relevés à cette occasion par la présence de nombreux centres stéréogènes contigus. Nous avons réalisé que la relation stéréochimique 2,3-anti de la salinomycine n’est pas accessible sélectivement par la chimie des radicaux via l’effet exocyclique. Des études ont été entreprises afin de comprendre cette perte de sélectivité. Les conclusions suggèrent que les substituants sur le cycle imposent un biais conformationnel conduisant à des faibles sélectivités. Une alternative utilisant un réactif de crotylsilane chiral a été développée pour arriver à la molécule cible. Cette situation est différente dans le cas de la narasine où la présence du méthyle sur le carbone en position β du radical bloque efficacement l’approche d’une des faces d’attaque par l’hydrure. Des sélectivités impressionnantes nous ont permis de construire le fragment C1-C9 de la narasine de manière expéditive et efficace. Finalement, l’élongation sélective utilisant à nouveau la séquence d’aldolisation de Mukaiyama/réduction radicalaire suivie d’un couplage de type aldol stéréosélectif conduit au fragment C1-C17 de la narasine (hémisphère ouest)en 19 étapes avec un rendement global de l’ordre de 7 %. En dernier lieu, nous nous sommes penchés sur la réactivité des α-bromo-β- alkoxycétones lors de transfert d’hydrogène. Nous avons découvert que la chimie de ces derniers pourrait s’avérer utile dans le contexte de la synthèse de motifs complexes polypropionates. La présence d’un centre stéréogène de l’autre coté de la cétone semble avoir un impact sur la sélectivité.

RNA recurrent motifs : identification and characterization

La détermination de la structure tertiaire du ribosome fut une étape importante dans la compréhension du mécanisme de la synthèse des protéines. Par contre, l’élucidation de la structure du ribosome comme tel ne permet pas une compréhension de sa fonction. Pour mieux comprendre la nature des relations entre la structure et la fonction du ribosome, sa structure doit être étudiée de manière systématique. Au cours des dernières années, nous avons entrepris une démarche systématique afin d’identifier et de caractériser de nouveaux motifs structuraux qui existent dans la structure du ribosome et d’autres molécules contenant de l’ARN. L’analyse de plusieurs exemples d’empaquetage de deux hélices d’ARN dans la structure du ribosome nous a permis d’identifier un nouveau motif structural, nommé « G-ribo ». Dans ce motif, l’interaction d’une guanosine dans une hélice avec le ribose d’un nucléotide d’une autre hélice donne naissance à un réseau d’interactions complexes entre les nucléotides voisins. Le motif G-ribo est retrouvé à 8 endroits dans la structure du ribosome. La structure du G-ribo possède certaines particularités qui lui permettent de favoriser la formation d’un certain type de pseudo-nœuds dans le ribosome. L’analyse systématique de la structure du ribosome et de la ARNase P a permis d’identifier un autre motif structural, nommé « DTJ » ou « Double-Twist Joint motif ». Ce motif est formé de trois courtes hélices qui s’empilent l’une sur l’autre. Dans la zone de contact entre chaque paire d’hélices, deux paires de bases consécutives sont surenroulées par rapport à deux paires de bases consécutives retrouvées dans l’ARN de forme A. Un nucléotide d’une paire de bases est toujours connecté directement à un nucléotide de la paire de bases surenroulée, tandis que les nucléotides opposés sont connectés par un ou plusieurs nucléotides non appariés. L’introduction d’un surenroulement entre deux paires de bases consécutives brise l’empilement entre les nucléotides et déstabilise l’hélice d’ARN. Dans le motif DTJ, les nucléotides non appariés qui lient les deux paires de bases surenroulées interagissent avec une des trois hélices qui forment le motif, offrant ainsi une stratégie élégante de stabilisation de l’arrangement. Pour déterminer les contraintes de séquences imposées sur la structure tertiaire d’un motif récurrent dans le ribosome, nous avons développé une nouvelle approche expérimentale. Nous avons introduit des librairies combinatoires de certains nucléotides retrouvés dans des motifs particuliers du ribosome. Suite à l’analyse des séquences alternatives sélectionnées in vivo pour différents représentants d’un motif, nous avons été en mesure d’identifier les contraintes responsables de l’intégrité d’un motif et celles responsables d’interactions avec les éléments qui forment le contexte structural du motif. Les résultats présentés dans cette thèse élargissent considérablement notre compréhension des principes de formation de la structure d’ARN et apportent une nouvelle façon d’identifier et de caractériser de nouveaux motifs structuraux d’ARN.