Inhibition of gene expression in human cells through small molecule-RNA interactions

Small molecules that bind their biological receptors with high affinity and selectivity can be isolated from randomized pools of combinatorial libraries. RNA-protein interactions are important in many cellular functions, including transcription, RNA splicing, and translation. One example of such interactions is the mechanism of trans-activation of HIV-1 gene expression that requires the interaction of Tat protein with the trans-activation responsive region (TAR) RNA, a 59-base stem-loop structure located at the 5′ end of all nascent HIV-1 transcripts. Here we demonstrate the isolation of small TAR RNA-binding molecules from an encoded combinatorial library. We have made an encoded combinatorial tripeptide library of 24,389 possible members from d-and l-alpha amino acids on TentaGel resin. Using on-bead screening we have identified a small family of mostly heterochiral tripeptides capable of structure-specific binding to the bulge loop of TAR RNA. In vitro binding studies reveal stereospecific discrimination when the best tripeptide ligand is compared with diastereomeric peptide sequences. In addition, the most strongly binding tripeptide was shown to suppress transcriptional activation by Tat protein in human cells with an IC50 of ≈50 nM. Our results indicate that tripeptide RNA ligands are cell permeable, nontoxic to cells, and capable of inhibiting expression of specific genes by interfering with RNA-protein interactions.

An enhancer-blocking element between α and δ gene segments within the human T cell receptor α/δ locus

T cell receptor (TCR) α and δ gene segments are organized within a single genetic locus but are differentially regulated during T cell development. An enhancer-blocking element (BEAD-1, for blocking element alpha/delta 1) was localized to a 2.0-kb region 3′ of TCR δ gene segments and 5′ of TCR α joining gene segments within this locus. BEAD-1 blocked the ability of the TCR δ enhancer (Eδ) to activate a promoter when located between the two in a chromatin-integrated construct. We propose that BEAD-1 functions as a boundary that separates the TCR α/δ locus into distinct regulatory domains controlled by Eδ and the TCR α enhancer, and that it prevents Eδ from opening the chromatin of the TCR α joining gene segments for VDJ recombination at an early stage of T cell development.

Absence of a barrier to backwards rotation of the bacterial flagellar motor demonstrated with optical tweezers

A cell of the bacterium Escherichia coli was tethered covalently to a glass coverslip by a single flagellum, and its rotation was stopped by using optical tweezers. The tweezers acted directly on the cell body or indirectly, via a trapped polystyrene bead. The torque generated by the flagellar motor was determined by measuring the displacement of the laser beam on a quadrant photodiode. The coverslip was mounted on a computer-controlled piezo-electric stage that moved the tether point in a circle around the center of the trap so that the speed of rotation of the motor could be varied. The motor generated ≈4500 pN nm of torque at all angles, regardless of whether it was stalled, allowed to rotate very slowly forwards, or driven very slowly backwards. This argues against models of motor function in which rotation is tightly coupled to proton transit and back-transport of protons is severely limited.

ATP-dependent Membrane Assembly of F-Actin Facilitates Membrane Fusion

We recently established an in vitro assay that monitors the fusion between latex-bead phagosomes and endocytic organelles in the presence of J774 macrophage cytosol (Jahraus et al., 1998). Here, we show that different reagents affecting the actin cytoskeleton can either inhibit or stimulate this fusion process. Because the membranes of purified phagosomes can assemble F-actin de novo from pure actin with ATP (Defacque et al., 2000a), we focused here on the ability of membranes to nucleate actin in the presence of J774 cytosolic extracts. For this, we used F-actin sedimentation, pyrene actin assays, and torsional rheometry, a biophysical approach that could provide kinetic information on actin polymerization and gel formation. We make two major conclusions. First, under our standard in vitro conditions (4 mg/ml cytosol and 1 mM ATP), the presence of membranes actively catalyzed the assembly of cytosolic F-actin, which assembled into highly viscoelastic gels. A model is discussed that links these results to how the actin may facilitate fusion. Second, cytosolic actin paradoxically polymerized more under ATP depletion than under high-ATP conditions, even in the absence of membranes; we discuss these data in the context of the well described, large increases in F-actin seen in many cells during ischemia.

Sequence-Specific Interaction between the Disintegrin Domain of Mouse ADAM 3 and Murine Eggs: Role of β1 Integrin-associated Proteins CD9, CD81, and CD98

ADAM 3 is a sperm surface glycoprotein that has been implicated in sperm-egg adhesion. Because little is known about the adhesive activity of ADAMs, we investigated the interaction of ADAM 3 disintegrin domains, made in bacteria and in insect cells, with murine eggs. Both recombinant proteins inhibited sperm-egg binding and fusion with potencies similar to that which we recently reported for the ADAM 2 disintegrin domain. Alanine scanning mutagenesis revealed a critical importance for the glutamine at position 7 of the disintegrin loop. Fluorescent beads coated with the ADAM 3 disintegrin domain bound to the egg surface. Bead binding was inhibited by an authentic, but not by a scrambled, peptide analog of the disintegrin loop. Bead binding was also inhibited by the function-blocking anti-α6 monoclonal antibody (mAb) GoH3, but not by a nonfunction blocking anti-α6 mAb, or by mAbs against either the αv or β3 integrin subunits. We also present evidence that in addition to the tetraspanin CD9, two other β1-integrin-associated proteins, the tetraspanin CD81 as well as the single pass transmembrane protein CD98 are expressed on murine eggs. Antibodies to CD9 and CD98 inhibited in vitro fertilization and binding of the ADAM 3 disintegrin domain. Our findings are discussed in terms of the involvement of multiple sperm ADAMs and multiple egg β1 integrin-associated proteins in sperm-egg binding and fusion. We propose that an egg surface “tetraspan web” facilitates fertilization and that it may do so by fostering ADAM–integrin interactions.

Enzyme-mediated spatial segregation on individual polymeric support beads: application to generation and screening of encoded combinatorial libraries.

Proteolysis of short N alpha-protected peptide substrates bound to polyoxyethylene-polystyrene beads releases selectively free amino sites in the enzyme-accessible "surface" area. The substantial majority of functional sites in the "interior" of the polymeric support are not reached by the enzyme and remain uncleaved (protected). Subsequent synthesis with two classes of orthogonal protecting groups-N alpha-tert-butyloxycarbonyl (Boc) and N alpha-9-fluorenylmethyloxy-carbonyl (Fmoc)-allows generation of two structures on the same bead. The surface structure is available for receptor interactions, whereas the corresponding interior structure is used for coding. Coding structures are usually readily sequenceable peptides. This "shaving" methodology was illustrated by the preparation of a peptide-encoded model peptide combinatorial library containing 1.0 x 10(5) members at approximately 6-fold degeneracy. From this single library, good ligands were selected for three different receptors: anti-beta-endorphin anti-body, streptavidin, and thrombin, and the binding structures were deduced correctly by sequencing the coding peptides present on the same beads.

The folding mechanism of larger model proteins: role of native structure.

The folding mechanism of a 125-bead heteropolymer model for proteins is investigated with Monte Carlo simulations on a cubic lattice. Sequences that do and do not fold in a reasonable time are compared. The overall folding behavior is found to be more complex than that of models for smaller proteins. Folding begins with a rapid collapse followed by a slow search through the semi-compact globule for a sequence-dependent stable core with about 30 out of 176 native contacts which serves as the transition state for folding to a near-native structure. Efficient search for the core is dependent on structural features of the native state. Sequences that fold have large amounts of stable, cooperative structure that is accessible through short-range initiation sites, such as those in anti-parallel sheets connected by turns. Before folding is completed, the system can encounter a second bottleneck, involving the condensation and rearrangement of surface residues. Overly stable local structure of the surface residues slows this stage of the folding process. The relation of the results from the 125-mer model studies to the folding of real proteins is discussed.

Multicomponent diffusion in polymeric liquids.

It is shown how the phase-space kinetic theory of polymeric liquid mixtures leads to a set of extended Maxwell-Stefan equations describing multicomponent diffusion. This expression reduces to standard results for dilute solutions and for undiluted polymers. The polymer molecules are modeled as flexible bead-spring structures. To obtain the Maxwell-Stefan equations, the usual expression for the hydrodynamic drag force on a bead, used in previous kinetic theories, must be replaced by a new expression that accounts explicitly for bead-bead interactions between different molecules.

Detection of sub-8-nm movements of kinesin by high-resolution optical-trap microscopy.

Kinesin is a molecular motor that transports organelles along microtubules. This enzyme has two identical 7-nm-long motor domains, which it uses to move between consecutive tubulin binding sites spaced 8 nm apart along a microtubular protofilament. The molecular mechanism of this movement, which remains to be elucidated, may be common to all families of motor proteins. In this study, a high-resolution optical-trap microscope was used to measure directly the magnitude of abrupt displacements produced by a single kinesin molecule transporting a microscopic bead. The distribution of magnitudes reveals that kinesin not only undergoes discrete 8-nm movements, in agreement with previous work [Svoboda, K., Schmidt, C. F., Schnapp, B. J. & Block, S.M. (1993) Nature (London) 365, 721-727], but also frequently exhibits smaller movements of about 5 nm. A possible explanation for these unexpected smaller movements is that kinesin's movement from one dimer to the next along a protofilament involves at least two distinct events in the mechanical cycle.

The secreted Ipa complex of Shigella flexneri promotes entry into mammalian cells.

The bacterial pathogen Shigella flexneri causes bacillary dysentery in humans by invading coloncytes. Upon contact with epithelial cells, S. flexneri elicits localized plasma membrane projections sustained by long actin filaments which engulf the microorganism. The products necessary for Shigella entry include three secretory proteins: IpaB, IpaC, and IpaD. Extracellular IpaB and IpaC associate in a soluble complex, the Ipa complex. We have immunopurified this Ipa complex on latex beads and found that they were efficiently internalized into HeLa cells. Like S. flexneri entry, uptake of the beads bearing the Ipa complex was associated with membrane projections and polymerization of actin at the site of cell-bead interaction and was dependent on small Rho GTPases. These results indicate that a secreted factor can promote S. flexneri entry into epithelial cells.

Dynamics of active lamellae in cultured epithelial cells: effects of expression of exogenous N-ras oncogene.

We examined the functional consequences of cellular transformation of rat IAR-2 epithelial cells, by a mutant N-ras oncogene, on the dynamics of active lamellae, structures that play an important role in cell motility, adhesion, and surface-receptor capping. Lamellar activity was assessed by measuring the rate of outer-edge pseudopodial activity and by analyzing the motility of Con A-coated beads placed on lamellar surfaces with optical tweezers. Although transformation dramatically affected the shape and size of active cellular lamellae, there was little detectable effect on either pseudopodial activity or bead movement. To investigate the potential relationship between functional lamellar activity and the microtubule cytoskeleton, lamellar activity was examined in nontransformed and transformed cells treated with the microtubule-disrupting drug nocodazole. In the absence of microtubules, transformed cells were less polarized and possessed decreased rates of pseudopodial and bead motility. On the basis of these observations, it is suggested that ras-induced transformation of epithelial cells consists of two cytoskeletal modifications: overall diminished actin cytoskeletal dynamics in lamellae and reorganization of the microtubule cytoskeleton that directs pseudopodial activity to smaller polarized lamellae.

Otimização do método lignina brometo de acetila na determinação do teor de lignina em plantas forrageiras e comparação com os métodos lignina detergente ácido e lignina Klason

Técnicas analíticas empregadas para a quantificação do teor de lignina em plantas forrageiras, atualmente em uso, são questionáveis quanto às suas acurácias. O método lignina detergente ácido (LDA), que é um dos métodos mais utilizado em Ciência Animal e Agronomia, apresenta algumas falhas, particularmente devido à parcial solubilização da lignina durante a preparação da fibra em detergente ácido (FDA). A lignina Klason (LK), outro método muito usado, apresenta o inconveniente de mensurar a proteína da parede celular como sendo lignina. Em ambos os procedimentos recomenda-se também mensurar cinzas nos resíduos de lignina. A quantificação da concentração de lignina pelo método espectrofotométrico lignina brometo de acetila (LBA) vem ganhando interesse de pesquisadores no Brasil e no exterior. Nesta metodologia, a lignina da planta contida na preparação parede celular (PC) é solubilizada numa solução a 25% de brometo de acetila em ácido acético e a absorbância mensurada é com luz UV a 280 nm. O valor da absorbância é inserido numa equação de regressão e a concentração de lignina é obtida. Para que esta técnica analítica seja mais aceita pelos pesquisadores, ela deve ser, obviamente, convincente e atrativa. O presente trabalho analisou alguns parâmetros relacionados à LBA em 7 gramíneas e 6 leguminosas, em dois estádios de maturidade. Dentre as diferentes temperaturas de pré-secagem, os resultados indicaram que os procedimentos de 55°C com ventilação e liofilização podem ser utilizados com a mesma eficácia. As temperaturas de 55°C sem ventilação e 80°C sem ventilação não são recomendadas, pois aumentaram os valores de FDA e LDA, possivelmente devido ao surgimento de artefatos de técnica como os compostos de Maillard. No método LBA os valores menores das amostras de leguminosas chamaram a atenção e colocaram em questão se a lignina destas plantas seria menos solúvel no reagente brometo de acetila. Dentre algumas alterações na metodologia da técnica LBA, a utilização do moinho de bolas (para diminuir o tamanho particular) nas amostras de PC não mostrou efeito; a hipótese era melhorar a solubilização da lignina usando partículas menores. O uso de um ultrasonicador, que aumenta a vibração das moléculas e assim, facilitaria a solubilização da lignina no reagente brometo de acetila, melhorou a solubilização da lignina em cerca de 10%, tanto nas gramíneas como nas leguminosas. Foi acoplado um ensaio biológico como referência, a degradabilidade in vitro da matéria seca (DIVMS); e como a lignina está intimamente associada à estrutura fibrosa da parede celular, também foi feito um ensaio de degradabilidade in vitro da fibra em detergente neutro (DIVFDN). Os resultados confirmaram o efeito da maturidade, reduzindo a degradabilidade nas plantas mais maduras, e que o teor de lignina de leguminosas é realmente inferior ao de gramíneas. Os resultados de degradabilidade apresentaram coeficientes de correlação mais elevados com o método LBA, quando foi empregada a técnica do ultrasom; o método LK mostrou os menores coeficientes. Também testou-se, com sucesso, a utilização da FDN, como preparação fibrosa, ao invés de PC. A razão é simples: enquanto que a FDN é amplamente conhecida, a preparação PC não o é. Inquestionável que esta manobra facilitará substancialmente a divulgação desse método, tornando-a mais aceitável pela comunidade científica

Tenacidade ao impacto e resistência a fadiga de aço API 5L X70 modificado ao Nb

O transporte de gás e derivados de petróleo é realizado pelo uso de tubulações, denominadas de oleodutos ou gasodutos, que necessitam de elevados níveis de resistência mecânica e corrosão, aliadas a uma boa tenacidade à fratura e resistência à fadiga. A adição de elementos de liga nesses aços, Ti, V e Nb entre outros, é realizada para o atendimento destes níveis de resistência após o processamento termomecânico das chapas para fabricação destes dutos, utilizando-se a norma API 5L do American Petroleum Institute, API, para a classificação destes aços. A adição de elementos de liga em associação com o processamento termomecânico visa o refino de grão da microestrutura austenítica, o qual é transferido para a estrutura ferrítica resultante. O Brasil é o detentor das maiores reservas mundiais de nióbio, que tem sido apresentado como refinador da microestrutura mais eficiente que outros elementos, como o V e Ti. Neste trabalho dois aços, denominados Normal e Alto Nb foram estudados. A norma API propõe que a soma das concentrações de Nióbio, Vanádio e Titânio devem ser menores que 0,15% no aço. As concentrações no aço contendo mais alto Nb é de 0,107%, contra 0,082% do aço de composição normal, ou seja, ambos atendem o valor especificado pela norma API. Entretanto, os aços são destinados ao uso em dutovias pela PETROBRÁS que impõe limites nos elementos microligantes para os aços aplicados em dutovias. Deste modo estudos foram desenvolvidos para verificar se os parâmetros de resistência à tração, ductilidade, tenacidade ao impacto e resistência à propagação de trinca por fadiga, estariam em acordo com a norma API 5L grau X70 e com os resultados que outros pesquisadores têm encontrado para aços dessa classe. Ainda, como para a formação de uma dutovia os tubos são unidos uns aos outros por processo de soldagem (circunferencial), o estudo de fadiga foi estendido para as regiões da solda e zona termicamente afetada (ZTA). Como conclusão final observa-se que o aço API 5L X70 com Nb modificado, produzido conforme processo desenvolvido pela ArcelorMittal - Tubarão, apresenta os parâmetros de resistência e ductilidade em tração, resistência ao impacto e resistência a propagação de trinca em fadiga (PTF) similar aos aços API 5L X70 com teores de Nb = 0,06 % peso e aqueles da literatura com teores de Nb+Ti+V < 0,15% peso. O metal base, metal de solda e zona termicamente afetada apresentaram curvas da/dN x ΔK similares, com os parâmetros do material C e m, da equação de Paris, respectivamente na faixa de 3,3 - 4,2 e 1.3x10-10 - 5.0x10-10 [(mm/ciclo)/(MPa.m1/2)m].

Avaliação do potencial de utilização de espécies leguminosas, arbóreas e arbustivas, noduladas e micorrizadas, na revegetação de barragem de rejeitos da Companhia Mineira de Metais, Vazante, MG

O processo de beneficiamento do zinco, extraído em Vazante pela Companhia Mineira de Metais - CMM produz um rejeito alcalino e com baixa disponibilidade de nutrientes. Esta dissertação tem como objetivo avaliar o potencial de utilização de espécies leguminosas noduladas e micorrizadas na revegetação de barragem de rejeito da CMM. Neste sentido, foram instalados dois experimentos de campo onde foi realizado o plantio prévio de Brachiaria sp. O primeiro experimento foi composto por 36 tratamentos que foram formados por uma combinação de 17 espécies + 1 testemunha (ausência de plantas) na presença e na ausência de esterco de curral (2,0 L) na cova de plantio. Cada unidade experimental foi formada por 20 exemplares da mesma espécie que foram plantadas em covas abertas manualmente (25 x 25 x 25 cm) num espaçamento de 2 x 2 m. Todas as covas receberam a adubação básica formada por 125 g de superfosfato simples e 60 g de cloreto de potássio. Entre as 17 espécies avaliadas, 3 não pertencem a família Leguminosae e receberam, além da adubação básica, cerca de 25 g de sulfato de amônio por cobertura. O segundo experimento foi montado com o objetivo de avaliar o potencial de espécies leguminosas beneficiarem o estabelecimento e crescimento de espécies não leguminosas na revegetação de barragem de rejeito da CMM. Foram utilizadas três espécies leguminosas (Enterolobium scomburkii, Acacia mangium e Acacia holosericea) e três não leguminosas (Lithraea brasiliensis, Cinnamomum glaziovii e Eugenia jambolana) num esquema fatorial (3 x 3) + 1 testemunha, formando dez tratamentos distribuídos em blocos ao acaso com três repetições. Cada parcela foi formada por 20 plantas (10 leguminosas + 10 não leguminosas) plantadas em espaçamento 2 x 2 m e com a mesma adubação básica utilizada no primeiro experimento. Todas as espécies leguminosas utilizadas foram previamente inoculadas com estirpes selecionadas de bactérias fixadoras de Nitrogênio atmosférico e com uma mistura de fungos micorrízicos provenientes da Embrapa/Agrobiologia. Os experimentos foram avaliados quanto ao estabelecimento e crescimento de plantas (altura e diâmetro do colo) aos 4, 12 e 24 meses após o plantio. Os resultados obtidos permitem concluir que dentre as espécies avaliadas, as mais indicadas para a primeira etapa da revegetação da barragem de rejeito da CMM são: Acacia holosericea, Acacia farnesiana, Acacia auriculiformis, Mimosa caesalpiniifolia, Leucaena leucocephala, Mimosa birmucronata, Enterolobium schomburkii e Prosopis juliflora. O sucesso do consórcio de espécies leguminosas e não leguminosas depende da escolha das espécies a serem combinadas, de maneira que não exista uma efetiva competição por água, nutrientes e luz que possa prejudicar as espécies de menor plasticidade. Das combinações avaliadas, as de maiores potencialidades para o programa de revegetação das barragens de rejeito da CMM são aquelas envolvendo a espécieLithraea brasiliensis.

Efeitos da soldagem por laser de fibra de Yb na microestrutura do compósito A356/SiCp

Materiais compósitos são projetados e fabricados para várias aplicações de alto desempenho, incluindo componentes para os segmentos automobilístico, aeroespacial, aeronáutico, naval, de defesa, de óleo e gás, energia eólica e até equipamentos esportivos. Porém, a união por soldagem de Compósitos de Matriz Metálica de Alumínio (Al-CMM) ainda é um grande obstáculo para a maior disseminação desta classe de materiais estruturais. As mudanças microestruturais decorrentes do ciclo de soldagem e/ou do tratamento térmico afetam sensivelmente as propriedades mecânicas e físico-químicas finais da junta e do metal base nas proximidades de mesma, daí a importância de se estudar a evolução microestrutural que prospera nestas etapas. O presente trabalho caracterizou a microestrutura do compósito liga-A356/SiCp soldado por laser de fibra de Itérbio, empregando-se nessa tarefa técnicas de microscopia óptica, radiografia e microscopia eletrônica de varredura, assim como difração de raios-X e de elétrons retroespalhados, ensaio instrumentado de dureza e microtomografia computadorizada. O foco das análises realizadas restringiu-se à geometria dos cordões de solda, à expulsão de SiC particulado da zona soldada, à volatilização de elementos químicos da poça de soldagem, à formação de precipitados fragilizantes de Al4SiC4 em formato de agulhas no cordão de solda e à determinação das regiões com concentração de poros, todos estes fenômenos tendo efeitos nocivos, em maior ou menor extensão, no desempenho global da junta do Al-CMM soldada a laser, notadamente em suas propriedades mecânicas e eletroquímicas.