Funktion und Biogenese kleiner RNAs in Dictyostelium discoideum

RNA mediated gene silencing pathways are highly conserved among eukaryotes and they have been well investigated in animals and in plants. Longer dsRNA molecules trigger the silencing pathways: RNase III proteins and their dsRNA binding protein (dsRBP) partners recognize those molecules as a substrate and process 21 nucleotide long microRNAs (miRNAs) or small interfering RNAs (siRNAs). Some organisms encode RNA dependent RNA polymerases (RdRPs), which are able to expand the pool of existing siRNAs. Argonaute proteins are able to bind small regulatory RNAs and are subsequently recruited to target mRNAs by base complementary. This leads in turn to transcriptional or posttranscriptional silencing of respective genes. The Dictyostelium discoideum genome encodes two Dicer homologues (DrnA and DrnB), five Argonaute proteins (AgnA to AgnE) and three RdRPs (RrpA to RrpC). In addition, the amoeba is known to express miRNAs and siRNAs, while the latter derive mainly from the DIRS-1 retrotransposon. One part of this work focused on the miRNA biogenesis pathway of D. discoideum. It was shown that the dsRNA binding protein RbdB is a necessary component for miRNA processing in the amoeba. There were no mature miRNAs detectable by Northern blot analysis in rbdB- strains, which is also true for drnB mutants. Moreover, primary miRNA-transcripts (pri-miRNAs) accumulated in rbdB- and drnB- strains. Fluorescence microscopy studies showed a nuclear localization of RbdB. RbdB accumulated in distinct perinucleolar foci. These were reminiscent of plant dicing bodies that contain essential protein components for miRNA processing. It is well known that RNase III enzymes and dsRBPs work together during miRNA processing in higher eukaryotes. This work demonstrated that the same is true for members of the amoebozoa supergroup. In Arabidopsis the nuclear zinc finger protein Serrate (SE) is also necessary for miRNA processing. The D. discoideum homologue SrtA, however, is not relevant which has been shown by the analysis of the respective knockdown strain. MiRNAs are known to be differentially expressed in several RNAi knockout strains. The accumulation of miRNAs in agnA- strains and a strong decrease in rbdB- strains were criteria that could thus be successfully used (among others) to identify and validate new miRNAs candidates by Illumina®-RNA sequencing. In another part of this study, the silencing and amplification of the DIRS-1 retrotransposons was analyzed in more detail. It was already known that DIRS-1 transcripts and extrachromosomal DIRS-1 DNA molecules accumulated in agnA- strains. This phenotype was correlated with the loss of endogenous DIRS-1 siRNAs in the knockout strain. By deep sequencing analysis of small RNAs from the AX2 wild type and the agnA- strain, the strong decrease of endogenous DIRS-1 siRNAs in the mutant strain (accounting for 70 %) could be confirmed. Further analysis of the data revealed an unequal distribution of DIRS-1 derived siRNAs along the retroelement in the wild type strain, since only very few of them matched the inverted terminal repeats (ITRs) and the 5’- half of the first open reading frame (ORF). Besides, sense and antisense siRNAs were asymmetrically distributed, as well. By using different reporter constructs it was shown indirectly that AgnA is necessary for the RrpC mediated production of secondary DIRS-1 siRNAs. These analyses also demonstrated an amplification of siRNAs in 5’- and in 3’-direction. Further analysis of the agnA- strain revealed that not only DIRS-1 sense transcripts but also ORF2 and ORF3 encoded proteins were enriched. In contrast, the ORF1 encoded protein GAG was equally expressed in the mutant and the wild type. This might reflect the unequal distribution of endogenous DIRS-1 siRNAs along the retrotransposon. Southern Blot and PCR-analyses showed that extrachromosomal DIRS-1 DNA molecules are present in the cytoplasm of angA- strains and that they are complementary to sense transcripts of intact DIRS-1 elements. Thus, the extrachromosomal DIRS-1 intermediates are likely incomplete cDNA molecules generated by the DIRS-1 encoded reverse transcriptase. One could hypothesize that virus like particles (VLPs) are the places of DIRS-1 cDNA synthesis. At least, DIRS-1 GAG proteins interact and fluorescence microscopy studies showed that they localize in distinct cytoplasmic foci which accumulate in close proximity to the nuclei.

Structural insights into the allosteric activation mechanism of cGMP-dependent protein kinase I

Cyclic GMP-dependent protein kinase (PKG) is a key transducer in the NO-cGMP signaling pathway. In this line, PKG has been considered an important drug target for treating hypertensive cardiovascular and pulmonary diseases. However, the investigation of PKG’s allosteric activation mechanism has been hampered by a lack of structural information. One of the fundamental questions on the cGMP-dependent activation of PKG is how the enzyme can distinguish cGMP over cAMP and selectively respond to cGMP. To ensure proper signaling, PKG must have developed unique features to ensure its activation upon the right activation signal. In this thesis, the cGMP-selective activation mechanism of PKG was studied through determining crystal structures of three truncated constructs of the regulatory domain [CNB-A (92-227), CNB-B (271-369), and CNB-A/B (92-351)] of PKG Iβ in the absence or presence of cyclic nucleotides. Herein, two individual CNB domain structures with biochemical data revealed that the C-terminal CNB domain (CNB-B) is responsible for cGMP selectivity, while the N-terminal CNB-domain (CNB-A) has a higher binding affinity for both cGMP and cAMP without showing any selectivity. Based on these crystal structures, mutagenesis studies were performed in which the critical residues for cyclic nucleotide selectivity and activation were identified. Furthermore, we discovered that the conformational changes of the C-terminal helix of the CNB-B that bridges between the regulatory and catalytic domains including the hydrophobic capping interaction are crucial for PKG activation. In addition, to observe the global conformation of the activated R-domain, I solved a co-crystal structure of the CNB-A/B with cGMP. Although a monomeric construct was crystallized, the structure displays a dimer. Strikingly, the CNB-A domain and its bound cGMP provide a key interface for this dimeric interaction. Using small angle X-ray scattering (SAXS), the existence of the cGMP-mediated dimeric interface within the CNB domains was confirmed. Furthermore, measuring cGMP-binding affinities (EC50) of the dimeric interface mutants as well as determining activation constants (Ka) revealed that the interface formation is important for PKG activation. To conclude, this thesis study provides a new mechanistic insight in PKG activation along with a newly found interface that can be targeted for designing PKG-specific activity modulators.

Análisis del gen adra2a receptor alfa 2a adrenergico en pacientes con trastorno de hiperactividad y déficit de atención

El trastorno de hiperactividad y déficit de atención (THDA), es definido clínicamente como una alteración en el comportamiento, caracterizada por inatención, hiperactividad e impulsividad. Estos aspectos son clasificados en tres subtipos, que son: Inatento, hiperactivo impulsivo y mixto. Clínicamente se describe un espectro amplio que incluye desordenes académicos, trastornos de aprendizaje, déficit cognitivo, trastornos de conducta, personalidad antisocial, pobres relaciones interpersonales y aumento de la ansiedad, que pueden continuar hasta la adultez. A nivel global se ha estimado una prevalencia entre el 1% y el 22%, con amplias variaciones, dadas por la edad, procedencia y características sociales. En Colombia, se han realizado estudios en Bogotá y Antioquia, que han permitido establecer una prevalencia del 5% y 15%, respectivamente. La causa específica no ha sido totalmente esclarecida, sin embargo se ha calculado una heredabilidad cercana al 80% en algunas poblaciones, demostrando el papel fundamental de la genética en la etiología de la enfermedad. Los factores genéticos involucrados se relacionan con cambios neuroquímicos de los sistemas dopaminérgicos, serotoninérgicos y noradrenérgicos, particularmente en los sistemas frontales subcorticales, corteza cerebral prefrontal, en las regiones ventral, medial, dorsolateral y la porción anterior del cíngulo. Basados en los datos de estudios previos que sugieren una herencia poligénica multifactorial, se han realizado esfuerzos continuos en la búsqueda de genes candidatos, a través de diferentes estrategias. Particularmente los receptores Alfa 2 adrenérgicos, se encuentran en la corteza cerebral, cumpliendo funciones de asociación, memoria y es el sitio de acción de fármacos utilizados comúnmente en el tratamiento de este trastorno, siendo esta la principal evidencia de la asociación de este receptor con el desarrollo del THDA. Hasta la fecha se han descrito más de 80 polimorfismos en el gen (ADRA2A), algunos de los cuales se han asociado con la entidad. Sin embargo, los resultados son controversiales y varían según la metodología diagnóstica empleada y la población estudiada, antecedentes y comorbilidades. Este trabajo pretende establecer si las variaciones en la secuencia codificante del gen ADRA2A, podrían relacionarse con el fenotipo del Trastorno de Hiperactividad y el Déficit de Atención.

Caracterització de metabòlits produïts per soques de "Pseudomonas fluorescens" efectives en el control biològic de fongs fitopatògens

El principal objectiu d'aquest treball ha estat estudiar la producció de metabòlits amb activitat antibiòtica per soques de l'espècie Pseudomonas fluorescens de la col·lecció EPS, i també avaluar la seva potencialitat com a agents de biocontrol. Es va disposar també de diverses soques de P. fluorescens, cedides per altres investigadors, que van utilitzar-se com a referència perquè algunes són actives en control biològic i produeixen metabòlits secundaris d'interès en el biocontrol de malalties de plantes. La present memòria s'estructura en cinc capítols, que són, introducció al control biològic, descripció de l'etapa de selecció de soques i cerca dels metabòlits produïts, estudi de la producció d'HCN per la soca EPS288, estudi de la producció de l'antibiòtic 2,4-diacetilfloroglucinol (DAPG), i finalment, el darrer capítol, on s'ha estudiat la producció de DAPG sobre material vegetal i la capacitat de colonitzar arrels per diverses soques d'interès. En l'etapa de prospecció, va demostrar-se que un 37% del total de les soques de la col·lecció EPS produïen HCN, totes de l'espècie P. fluorescens, i un 90% d'aquestes provenien de les arrels de plantes. Es va confirmar la producció dels metabòlits secundaris 2,4-diacetilfloroglucinol, àcid fenazina-1-carboxílic, i pirrolnitrina, per diverses soques de la col·lecció EPS seleccionades mitjançant tècniques moleculars. Així, de la col·lecció EPS, les soques EPS317 i EPS808 produeixen DAPG, la EPS263 àcid fenazina-1-carboxílic i pirrolnitrina i, EPS894, EPS895, EPS945 produeixen àcid fenazina-1-carboxílic. La producció d'HCN es va estudiar més exhaustivament en la soca EPS288, seleccionada per la seva activitat antifúngica i candidata a agent de biocontrol contra Stemphylium vesicarium, causant de la estemfiliosi de la perera, i contra Penicillium expansum, causant de la podridura blava en conservació de fruita a postcollita. Per aquest estudi, es va dissenyar i validar un sistema per recollir l'HCN a partir de cultius en medi líquid. S'ha demostrat que la temperatura d'incubació, la concentració cel·lular de sembra i la composició del medi de cultiu afectaven a la producció d'HCN. Els medis complexos i la glicina n'afavorien la síntesi i la font de carboni no afectava. La soca EPS288 va produir més HCN que P. fluorescens CHA0, soca de referència productora d'HCN i descrita com a activa en processos de biocontrol de fongs fitopatògens. En l'estudi de la producció de DAPG, les soques de la col·lecció EPS i de referència, es van comparar en diversos medis de cultiu estudiant l'efecte de la complexitat i consistència del medi, i l'addició de ferro o de glucosa. Va demostrar-se que la producció de DAPG depèn principalment de la soca i de les característiques del medi de cultiu. La glucosa estimula la producció, mentre que el ferro pràcticament no afecta, i en general, el medi sòlid i complex estimula la producció de DAPG. Tanmateix, aquests efectes varien en alguna de les soques assajades donant lloc a comportaments singulars. En el seguiment del creixement amb un sistema automàtic es va comprovar que la velocitat específica de creixement i la concentració cel·lular assolida al final del cultiu, estaven condicionades per la composició del medi de cultiu. En les proves d'antagonisme vers fitopatògens que foren seleccionats com a indicadors, va observar-se que tant l'antagonisme in vitro com la inhibició d'infeccions sobre material vegetal estaven parcialment relacionades amb la producció dels metabòlits secundaris estudiats. La promoció del creixement de portaempelts per aquestes soques depenia de la soca i de l'hoste, però no es pogué establir una relació causa-efecte amb el metabòlits produïts. També es va comprovar que algunes de les soques podien sobreviure en ferides de pomes i de peres, on produïren DAPG. Mutants resistents a rifampicina de diverses soques de la col·lecció EPS i de referència es van inocular en llavors de pomera i de tomatera que es van sembrar i incubar en condicions controlades. Es va fer el seguiment de la població bacteriana total i resistent a rifampicina present a les arrels durant 72 dies. Totes les soques van colonitzar les arrels de les plantes, mantenint una elevada població durant 37 dies, cap d'elles va estimular el creixement ni mostrar efectes fitotòxics, no afectant tampoc signicativament a la població bacteriana espontània de les arrels. La soca EPS808, una de les seleccionades pel treball, va aconseguir uns nivells de producció de DAPG, una velocitat de creixement i una supervivència relativa a les arrels similar a altres soques de referència descrites com a bons agents de biocontrol. En conseqüència, se la considera una candidata a agent de biocontrol que hauria de ser objecte de futurs estudis d'eficàcia.

Estudi d'una metal·lotioneïna d'alzina surera (QsMT)

En aquest treball es caracteriza per primera vegada la capacitat de coordinació metàl·lica d'una metal·lotineïna (MT) de planta i es proposa un model de plegament per a les MTs de planta en general. Els resultat mostren que aquestes proteïnes poden tenir un paper molt important en la regulació de l'estat redox de les cèl·lules, probablement a través de la coordinació a Cu. Les MTs de planta són proteïnes molt desconegudes. Es postula que participen en l'homeòstasi del Cu i en la protecció contra l'estrès oxidatiu, però es desconeix la capacitat de coordinació metàl·lica i el plegament. En aquest treball s'han estudiat una metal·lotioneïna d'alzina surera, QsMT, aïllada d'una llibreria de cDNA de fel·lema. Els objectius concrets han estat: (1) estudiar l'expressió de QsMT i la resposta a l'estrès oxidatiu; (2) determinar la capacitat de coordinació metàl·lica i la funcionalitat in vivo; (3) fer una aproximació al plegament de les MTs de planta. L'expressió del gen s'ha estudiat mitjançant hibridació in situ en plàntules i en embrions d'alzina surera. QsMT s'expressa majoritàriament en cèl·lules amb fort estrès oxidatiu, associat a la síntesi de polifenols (suberització i lignificació) i a la senescència. També s'expressa en cèl·lules meristemàtiques, cèl·lules en divisió molt activa on la funció de les MTs podria estar relacionada amb el manteniment de l'estat redox. L'aplicació d'estrès oxidatiu exogen (H2O2 i paraquat) incrementa fortament l'expressió de QsMT en teixits amb expressió constitutiva, confirmant la regulació de l'expressió del gen per estrès oxidatiu. Per l'estudi de les propietats de coordinació metàl·lica es va expressar QsMT en cèl·lules d'E. coli en medi de cultiu suplementat amb Cu, Zn o Cd. Es van aïllar els agregats metàl·lics corresponents i es van analitzar mitjançant tècniques espectroscòpiques i espectromètriques (ICP-OES, ESI-MS i CD). Els resultats mostren que QsMT coordina de forma estable Cu (8 ions metàl·lics/molècula), Zn (4 ions de Zn/molècula) i Cd (6 ions de Cd/molècula), i adopta una estructura especialment quiral en coordinació a Cu. L'elevada capacitat quelant de la proteïna i la quiralitat de l'estructura indiquen que QsMT possiblement té preferència metàl·lica pel Cu i per tant una funció relacionada amb aquest metall in vivo. Estudis de complementació en llevat demostren que QsMT coordina Cu de forma funcional in vivo. En coordinació a Cd QsMT presenta una peculiaritat no observada fins ara en altres MTs: la participació d'ions sulfur en la formació de l'agregat metàl·lic incrementant la capacitat de coordinació metàl·lica (6 ions metàl·lics divalents de Cd enlloc de 4 ions de Zn). A més QsMT coordina Cd de forma funcional en llevat, i per tant la seva funció també podria estar relacionada amb la destoxicació de Cd en la planta. QsMT s'ha utilitzat com a model per fer una aproximació al plegament de les MTs de planta. Amb aquest objectiu vam dissenyar tres pèptids mutants derivats de QsMT: N25 corresponent a la zona rica en cisteïna en posició amino-terminal, C18 corresponent a la zona rica en cisteïna en posició carboxil-terminal, i N25-C18 corresponent a les dues zones riques en cisteïna enllaçades per 4 glicines substituint la zona central de 39 aminoàcids. Es van expressar i estudiar aquests pèptids per les mateixes tècniques utilitzades en l'estudi de QsMT. Els resultats indiquen que QsMT es plega formant un sol agregat metàl·lic per la interacció de les dues zones riques en cisteïna. En aquest model la zona central d'enllaç, típica de les MTs de planta, no participa en la coordinació metàl·lica però és imprescindible per a la funció de la proteïna. El paper de la zona central podria variar en funció del metall que coordina, participant en el plegament i estructura de la proteïna quan coordina Zn i Cd i en la seva regulació i estabilització quan coordina Cu.

Les sHsps en surera: capacitat protectora enfront l'estrés i variabilitat genètica

Els organismes responen a la temperatura i a molts altres estressos sintetitzant un grup de proteïnes anomenat proteïnes de xoc de calor (HSPs). En plantes les sHsps, d'entre 15 i 30 kDa formen el grup més abundant i divers, classificat en funció de la seva localització subcel.lular i homologia en: mitocondrials, cloroplàstiques, de reticle endoplasmàtic i citoplàsmiques de classe I i II. Les sHsps-CI s'ha descrit que s'indueixen per estrès tèrmic, hídric i oxidatiu (peròxid d'hidrògen, llum UV, ozó) i en resposta a algunes hormones. També s'expressen durant el desenvolupament, per exemple durant l'embriogènesi, on es creu que podrien tenir un paper protector de l'embrió enfront la dessecació. Tot i que hi ha abundants treballs que correlacionen la resistència a l'estrès i l'acumulació de sHsps-CI, els mecanismes moleculars d'aquesta activitat són poc conguts. Tot i això, per diverses sHsps-CI ha estat descrita una activitat xaperona in vitro i, més recentment, que la seva sobreexpressió augmenta la viabilitat de cèl.lules d'E.coli en condicions d'estrès tèrmic. L'estudi de l'acumulació de sHsps-CI en surera (Quercus suber) mitjançant immunodetecció en electroforesi bidimensional mostra uns patrons d'acumulació complexos i formats per dos grups d'espècies proteiques principals, a l'entorn dels 10 i 17 kDa respectivament, que mostren una inducció diferencial en funció del teixit i l'estrès. Mentre que les espècies proteiques de 17 kDa s'indueixen per temperatura però no per estrès oxidatiu, les de ca. 10 kDa ho fan per estrès oxidatiu i no per temperatura. Ambdós grups d'espècies proteiques s'acumulen conjuntament en fel.lema. Assajos de PCR i RT-PCR han permès clonar parcialment tres noves sHsps-CI en surera: Qshsp10-CI, QshspC-CI i QshspD-CI. Aquest fet confirma la multigeneïcitat de les sHsps-CI en surera que apuntava el patró bidimensional. Dels nous clons obtinguts destaca especialment Qshsp10-CI, un gen que presenta un codó stop enmig del domini -cristal.lí que fa que a la proteïna que se'n dedueix li manqui un 55% del domini -cristal.lí i tota l'extensió C-terminal. Es tractaria de la sHsp més petita i més truncada descrita fins al moment. L'anàlisi de l'expressió de Qshsp10-CI mitjançant RT-PCR mostra expressió en plantes tractades amb H2O2 però no en les que han estat sotmeses a un xoc de calor. Aprofitant l'oportunitat que oferia aquesta sHsp-CI de ser utilitzada com a model per l'estudi de la importància del domini -cristal.lí i l'extensió C-terminal en l'activitat protectora enfront l'estrès, es va voler determinar la capacitat que tenia d'augmentar la viabilitat de cèl.lules d'E. coli en condicions d'estrès tèrmic i oxidatiu. Els resultats mostren que la proteïna recombinant QsHsp10-CI, tot i la important truncació que té, és capaç de protegir cèl.lules d'E. coli en condicions d'estrès tèrmic i, remarcablement, en condicions d'estrès oxidatiu. Tots aquests resultats indiquen que les espècies proteiques de ca. 10 kDa podrien correspondre a Qshsp10-CI i tenir un paper en les cèl.lules del fel.lema en la protecció enfront l'estrès oxidatiu. L'estrès oxidatiu provoca lesions al DNA que poden produir errors en la replicació, transcripció o traducció i generar proteïnes aberrants. Donades les condicions d'estrès oxidatiu a les quals es troben sotmeses les cèl.lules del fel.lema, s'ha volgut estudiar la variabilitat dels seus àcids nucleics. La determinació de la taxa de mutació de la regió codificant del gen Qshsp17.4-CI en mRNA i DNA de fel.lema i àpex radicular, un teixit jove i en creixement actiu va mostrar unes taxes sorprenentment elevades en l'mRNA (1/1784 pb) i el DNA genòmic (1/1520 pb) del fel.lema. Aquestes taxes són les més altes descrites en un genoma nuclear eucariota i són similars a les dels virus d'RNA d'evolució ràpida com el virus de l'Hepatitis C. Amb aquestes taxes de mutació, un terç dels mRNAs del fel.lema de la surera contindrien missatges aberrants i la supervivència de les cel.lules es veuria compromesa. Això implica que el fel.lema hauria de ser considerat com un mosaic de cèl.lules genèticament heterogènies i, per tant, una sola seqüència no defineix en tota la seva amplitud un gen en aquest teixit. No es va detectar cap mutació en àpex de rel. Amb l'objectiu d'aprofundir en el coneixement de les mutacions que es donen en aquests dos teixits i per tal de poder fer una anàlisi qualitativa més completa que permetés especular sobre el seu origen, es va aplicar un mètode de selecció de seqüències mutants en base a la utilització d'enzims de restricció. Les mutacions detectades en fel.lema es corresponen amb les relacionades, en altres sistemes no nuclears (plasmidis, fags i DNA bacterià), amb l'estrès oxidatiu. En conseqüència, l'estrès oxidatiu al qual estan sotmeses les cèl.lules del fel.lema podria ser el causant de l'elevada taxa de mutació detectada. D'acord amb això, el tipus majoritari de productes d'oxidació de les bases del DNA que s'acumulen en brots de plàntules de surera en resposta al peròxid d'hidrògen produeixen el mateix tipus de mutacions detectades en l'mRNA del fel.lema de la surera. La major sensibilitat d'aquest nou mètode ha permès, a més, detectar mutacions en molècules d'mRNA de rel, un teixit en el qual no s'havia trobat cap mutació utilitzant el mètode de clonatge i seqüenciació directa. Tot i això, el tipus de mutacions predominants no estan relacionades amb l'estrès oxidatiu sinó amb erros en la reparació dels àcids nucleics.

Les sHsps en surera: Estudis de funcionalitat

Aquesta tesi es centra en la caracterització funcional d'una proteïna de xoc de calor de baix pes molecular (Small Heat Shock Protein - sHSP) de classe I de surera pel que fa a la seva capacitat per protegir les cèl·lules de l'estrès i per estabilitzar les membranes. Les sHsps són proteïnes que s'expressen en condicions d'estrès cel·lular. Encara que certs aspectes funcionals de les sHsps són ben coneguts, el nostre treball aporta informacions noves sobre el paper de les diferents regions de la proteïna, especialment de la regió N-terminal. L'objectiu concret d'aquest treball és determinar la funció termoprotectora de QsHsp17.4-CI, una sHsp de classe I oobtinguda a partir de les cèl·lules de fel·lema d'alzina surera, en un model bacterià i analitzar la importància de les diferents regions de la proteïna en aquesta funció. Amb aquesta finalitat s'han dissenyat dues proteïnes parcials derivades de QsHsp17.4-CI: una a la que li falta la regió N-terminal (C105) i una altra amb pràcticament tot el domini -cristal·lí deleccionat (N61), i una tercera, derivada de QsHs10-CI, a la que li falta la meitat del domini -cristal·lí (Hsp10). També s'estudia la possible capacitat estabilitzadora de membranes i la capacitat de modificar l'expressió d'altres Hsps quan s'expressa de forma heteròloga. Els nostres resultats demostren que l'expressió de QsHsp17.4-CI protegeix a les cèl·lules d'E.coli de l'estrès tèrmic alhora que la regió N-terminal i la regió consens II del domini -cristal·lí són imprescindibles per aquesta funció de protecció. En relació a un possible paper en les membranes, els estudis de localització subcel·lular mostren que QsHsp17.4-CI colocalitza amb la fracció membranes i que la regió N-terminal de la proteïna és responsable d'aquesta colocalització. No s'ha pogut demostrar, però, que la localització amb la membrana estigui associada a un efecte protector d'aquesta: en cap cas la sobrexpressió de les proteïnes modifica la composició d'àcids grassos i només N61, que no té acció termoprotectora, altera l'estat fisico-químic de la membrana. En estudis d'expressió de novo en E.coli s'ha observat que, a diferència de les altres proteïnes heteròlogues, N61 activa l'expressió de la majoria de Hsps d'E.coli fent pensar en una possible relació entre l'estat físic de la membrana i l'activació de la resposta a l'estrès. En resum, en aquest treball hem provat la capacitat protectora de QsHsp17.4 i aportem noves dades sobre la importància de la regió N-terminal i la regió consens II del domini -cristal·lí en aquesta funció. Per altra banda, es suggereix que QsHsp17.4 podria interaccionar amb la membrana d'E.coli i que la regió N-terminal seria imprescindible per aquesta interacció. Finalment hem determinat que les proteïnes que provoquen variacions en l'estat de fluïdesa de la membrana poden activar la resposta al xoc de calor per part de la cèl·lula bacteriana.

Sox1-deficient mice suffer from epilepsy associated with abnormal ventral forebrain development and olfactory cortex hyperexcitability

Mutations in several classes of embryonically-expressed transcription factor genes are associated with behavioral disorders and epilepsies. However, there is little known about how such genetic and neurodevelopmental defects lead to brain dysfunction. Here we present the characterization of an epilepsy syndrome caused by the absence of the transcription factor SOX1 in mice. In vivo electroencephalographic recordings from SOX1 mutants established a correlation between behavioral changes and cortical output that was consistent with a seizure origin in the limbic forebrain. In vitro intracellular recordings from three major forebrain regions, neocortex, hippocampus and olfactory (piriform) cortex (OC) showed that only the OC exhibits abnormal enhanced synaptic excitability and spontaneous epileptiform discharges. Furthermore, the hyperexcitability of the OC neurons was present in mutants prior to the onset of seizures but was completely absent from both the hippocampus and neocortex of the same animals. The local inhibitory GABAergic neurotransmission remained normal in the OC of SOX1-deficient brains, but there was a severe developmental deficit of OC postsynaptic target neurons, mainly GABAergic projection neurons within the olfactory tubercle and the nucleus accumbens shell. Our data show that SOX1 is essential for ventral telencephalic development and suggest that the neurodevelopmental defect disrupts local neuronal circuits leading to epilepsy in the SOX1-deficient mice

Perception and modification of plant flavonoid signals by rhizosphere microorganisms

Flavonoids are a diverse class of polyphenolic compounds that are produced as a result of plant secondary metabolism. They are known to play a multifunctional role in rhizospheric plant-microbe and plant-plant communication. Most familiar is their function as a signal in initiation of the legume-rhizobia symbiosis, but, flavonoids may also be signals in the establishment of arbuscular mycorrhizal symbiosis and are known agents in plant defence and in allelopathic interactions. Flavonoid perception by, and impact on, their microbial targets (e.g. rhizobia, plant pathogens) is relatively well characterized. However, potential impacts on 'non-target' rhizosphere inhabitants ('non-target' is used to distinguish those microorganisms not conventionally known as targets) have not been thoroughly investigated. Thus, this review first summarizes the conventional roles of flavonoids as nod gene inducers, phytoalexins and allelochemicals before exploring questions concerning 'non-target' impacts. We hypothesize that flavonoids act to shape rhizosphere microbial community structure because they represent a potential source of carbon and toxicity and that they impact on rhizosphere function, for example, by accelerating the biodegradation of xenobiotics. We also examine the reverse question, 'how do rhizosphere microbial communities impact on flavonoid signals?' The presence of microorganisms undoubtedly influences the quality and quantity of flavonoids present in the rhizosphere, both through modification of root exudation patterns and microbial catabolism of exudates. Microbial alteration and attenuation of flavonoid signals may have ecological consequences for below-ground plant-microbe and plant-plant interaction. We have a lack of knowledge concerning the composition, concentration and bioavailability of flavonoids actually experienced by microbes in an intact rhizosphere, but this may be addressed through advances in microspectroscopic and biosensor techniques. Through the use of plant mutants defective in flavonoid biosynthesis, we may also start to address the question of the significance of flavonoids in shaping rhizosphere community structure and function.

Aberrant mRNA Transcripts and the Nonsense-Mediated Decay Proteins UPF2 and UPF3 Are Enriched in the Arabidopsis Nucleolus

The eukaryotic nucleolus is multifunctional and involved in the metabolism and assembly of many different RNAs and ribonucleoprotein particles as well as in cellular functions, such as cell division and transcriptional silencing in plants. We previously showed that Arabidopsis thaliana exon junction complex proteins associate with the nucleolus, suggesting a role for the nucleolus in mRNA production. Here, we report that the plant nucleolus contains mRNAs, including fully spliced, aberrantly spliced, and single exon gene transcripts. Aberrant mRNAs are much more abundant in nucleolar fractions, while fully spliced products are more abundant in nucleoplasmic fractions. The majority of the aberrant transcripts contain premature termination codons and have characteristics of nonsense-mediated decay (NMD) substrates. A direct link between NMD and the nucleolus is shown by increased levels of the same aberrant transcripts in both the nucleolus and in Up-frameshift (upf) mutants impaired in NMD. In addition, the NMD factors UPF3 and UPF2 localize to the nucleolus, suggesting that the Arabidopsis nucleolus is therefore involved in identifying aberrant mRNAs and NMD.

Puroindoline-b mutations control the lipid binding interactions in mixed puroindoline-a: puroindoline-b systems

The interactions have been investigated of puroindoline-a (Pin-a) and mixed protein systems of Pin-a and wild-type puroindoline-b (Pin-b+) or puroindoline-b mutants (G46S mutation (Pin bH) or W44R mutation (Pin-bS)) with condensed phase monolayers of an anionic phospholipid (L-α-dipalmitoylphosphatidyl-dl-glycerol (DPPG)) at the air/water interface. The interactions of the mixed systems were studied at three different concentration ratios of Pin-a:Pin-b, namely 3:1, 1:1 and 1:3 in order to establish any synergism in relation to lipid binding properties. Surface pressure measurements revealed that Pin-a interaction with DPPG monolayers led to an equilibrium surface pressure increase of 8.7 ± 0.6 mN m-1. This was less than was measured for Pin-a:Pin-b+ (9.6 to 13.4 mN m-1), but was significantly more than was measured for Pin-a:Pin-bH (4.0 to 6.2 mN m-1) or Pin-a:Pin-bS (3.8 to 6.3 mN m-1) over the complete range of concentration ratio. Consequently, surface pressure increases were shown to correlate to endosperm hardness phenotype, with puroindolines present in hard-textured wheat varieties yielding lower equilibrium surface pressure changes. Integrated amide I peak areas from corresponding external reflectance Fourier-transform infrared (ER-FTIR) spectra, used to indicate levels of protein adsorption to the lipid monolayers, showed that differences in adsorbed amount were less significant. The data therefore suggest that Pin-b mutants having single residue substitutions within their tryptophan-rich loop that are expressed in some hard-textured wheat varieties influence the degree of penetration of Pin-a and Pin-b into anionic phospholipid films. These findings highlight the key role of the tryptophan-rich loop in puroindoline-lipid interactions.

Role of polyhydroxybutyrate and glycogen as carbon storage compounds in pea and bean bacteroids

Rhizobium leguminosarum synthesizes polyhydroxybutyrate and glycogen as its main carbon storage compounds. To examine the role of these compounds in bacteroid development and in symbiotic efficiency, single and double mutants of R. legumosarum bv. viciae were made which lack polyhydroxybutyrate synthase (phaC), glycogen synthase (glgA), or both. For comparison, a single phaC mutant also was isolated in a bean-nodulating strain of R. leguminosarum bv. phaseoli. In one large glasshouse trial, the growth of pea plants inoculated with the R. leguminosarum bv. viciae phaC mutant were significantly reduced compared with wild-type-inoculated plants. However, in subsequent glasshouse and growth-room studies, the growth of pea plants inoculated with the mutant were similar to wildtype-inoculated plants. Bean plants were unaffected by the loss of polyhydroxybutyrate biosynthesis in bacteroids. Pea plants nodulated by a glycogen synthase mutants or the glgA/phaC double mutant, grew as well as the wild type in growth-room experiments. Light and electron micrographs revealed that pea nodules infected with the glgA mutant accumulated large amounts of starch in the II/III interzone. This suggests that glycogen may be the dominant carbon storage compound in pea bacteroids. Polyhydroxybutyrate was present in bacteria in the infection thread of pea plants but was broken down during bacteroid formation. In nodules infected with a phaC mutant of R. leguminosarum bv. viciae, there was a drop in the amount of starch in the II/III interzone, where bacteroids form. Therefore, we propose a carbon burst hypothesis for bacteroid formation, where polyhydroxybutyrate accumulated by bacteria is degraded to fuel bacteroid differentiation.

Transcriptomic analysis of rhizobium leguminosarum biovar viciae in symbiosis with host plants pisum sativum and Vicia cracca

Rhizobium leguminosarum bv. viciae forms nitrogen-fixing nodules on several legumes, including pea (Pisum sativum) and vetch (Vicia cracca), and has been widely used as a model to study nodule biochemistry. To understand the complex biochemical and developmental changes undergone by R. leguminosarum bv. viciae during bacteroid development, microarray experiments were first performed with cultured bacteria grown on a variety of carbon substrates (glucose, pyruvate, succinate, inositol, acetate, and acetoacetate) and then compared to bacteroids. Bacteroid metabolism is essentially that of dicarboxylate-grown cells (i.e., induction of dicarboxylate transport, gluconeogenesis and alanine synthesis, and repression of sugar utilization). The decarboxylating arm of the tricarboxylic acid cycle is highly induced, as is gamma-aminobutyrate metabolism, particularly in bacteroids from early (7-day) nodules. To investigate bacteroid development, gene expression in bacteroids was analyzed at 7, 15, and 21 days postinoculation of peas. This revealed that bacterial rRNA isolated from pea, but not vetch, is extensively processed in mature bacteroids. In early development (7 days), there were large changes in the expression of regulators, exported and cell surface molecules, multidrug exporters, and heat and cold shock proteins. fix genes were induced early but continued to increase in mature bacteroids, while nif genes were induced strongly in older bacteroids. Mutation of 37 genes that were strongly upregulated in mature bacteroids revealed that none were essential for nitrogen fixation. However, screening of 3,072 mini-Tn5 mutants on peas revealed previously uncharacterized genes essential for nitrogen fixation. These encoded a potential magnesium transporter, an AAA domain protein, and proteins involved in cytochrome synthesis.

Non-hemagglutinating flaviviruses: molecular mechanisms for the emergence of new strains via adaptation to European ticks

Tick-borne encephalitis virus (TBEV) causes human epidemics across Eurasia. Clinical manifestations range from inapparent infections and fevers to fatal encephalitis but the factors that determine disease severity are currently undefined. TBEV is characteristically a hemagglutinating (HA) virus; the ability to agglutinate erythrocytes tentatively reflects virion receptor/fusion activity. However, for the past few years many atypical HA-deficient strains have been isolated from patients and also from the natural European host tick, Ixodes persulcatus. By analysing the sequences of HA-deficient strains we have identified 3 unique amino acid substitutions (D67G, E122G or D277A) in the envelope protein, each of which increases the net charge and hydrophobicity of the virion surface. Therefore, we genetically engineered virus mutants each containing one of these 3 substitutions; they all exhibited HA-deficiency. Unexpectedly, each genetically modified non-HA virus demonstrated increased TBEV reproduction in feeding Ixodes ricinus, not the recognised tick host for these strains. Moreover, virus transmission efficiency between infected and uninfected ticks co-feeding on mice was also intensified by each substitution. Retrospectively, the mutation D67G was identified in viruses isolated from patients with encephalitis. We propose that the emergence of atypical Siberian HA-deficient TBEV strains in Europe is linked to their molecular adaptation to local ticks. This process appears to be driven by the selection of single mutations that change the virion surface thus enhancing receptor/fusion function essential for TBEV entry into the unfamiliar tick species. As the consequence of this adaptive mutagenesis, some of these mutations also appear to enhance the ability of TBEV to cross the human blood-brain barrier, a likely explanation for fatal encephalitis. Future research will reveal if these emerging Siberian TBEV strains continue to disperse westwards across Europe by adaptation to the indigenous tick species and if they are associated with severe forms of TBE.

Characterization of a gamma-aminobutyric acid transport system of rhizobium leguminosarum bv. viciae 3841

Spontaneous mutants of Rhizobium leguminosarum bv. viciae 3841 were isolated that grow faster than the wild type on gamma-aminobutyric acid (GABA) as the sole carbon and nitrogen source. These strains (RU1736 and RU1816) have frameshift mutations (gtsR101 and gtsR102, respectively) in a GntR-type regulator (GtsR) that result in a high rate of constitutive GABA transport. Tn5 mutagenesis and quantitative reverse transcription-PCR showed that GstR regulates expression of a large operon (pRL100242 to pRL100252) on the Sym plasmid that is required for GABA uptake. An ABC transport system, GtsABCD (for GABA transport system) (pRL100248-51), of the spermidine/putrescine family is part of this operon. GtsA is a periplasmic binding protein, GtsB and GtsC are integral membrane proteins, and GtsD is an ATP-binding subunit. Expression of gtsABCD from a lacZ promoter confirmed that it alone is responsible for high rates of GABA transport, enabling rapid growth of strain 3841 on GABA. Gts transports open-chain compounds with four or five carbon atoms with carboxyl and amino groups at, or close to, opposite termini. However, aromatic compounds with similar spacing between carboxyl and amino groups are excellent inhibitors of GABA uptake so they may also be transported. In addition to the ABC transporter, the operon contains two putative mono-oxygenases, a putative hydrolase, a putative aldehyde dehydrogenase, and a succinate semialdehyde dehydrogenase. This suggests the operon may be involved in the transport and breakdown of a more complex precursor to GABA. Gts is not expressed in pea bacteroids, and gtsB mutants are unaltered in their symbiotic phenotype, suggesting that Bra is the only GABA transport system available for amino acid cycling.