An mRNA region of the canine distemper virus fusion protein gene lacking AUG codons can promote protein expression.

Canine distemper virus (CDV) produces a glycosylated type I fusion protein (F) with an internal hydrophobic signal sequence beginning around 115 residues downstream of the first AUG used for translation initiation. Cleavage of the signal sequence yields the F0 molecule, which is cleaved into the F1 and F2 subunits. Surprisingly, when all in-frame AUGs located in the first third of the F gene were mutated a protein of the same molecular size as the F0 molecule was still expressed from both the Onderstepoort (OP) and A75/17-CDV F genes. We designated this protein, which is initiated from a non-AUG codon protein Fx. Site-directed mutagenesis allowed to identify codon 85, a GCC codon coding for alanine, as the most likely position from which translation initiation of Fx occurs in OP-CDV. Deletion analysis demonstrated that at least 60 nucleotides upstream of the GCC codon are required for efficient Fx translation. This sequence is GC-rich, suggesting extensive folding. Secondary structure may therefore be important for translation initiation at codon 85.

Identification of small RNAs in Pseudomonas species

Summary: Bacterial small RNAs (sRNAs) are transcripts most of which have regulatory functions. Sequence and secondary structure elements enable numerous sRNAs to interact with mRNAs or with regulatory proteins resulting in diverse regulatory effects on virulence, iron storage, organization of cell envelope proteins or stress response. sRNAs having high affinity for RsmA-like RNA-binding proteins are important for posttranscriptional regulation in various Gram-negative bacteria. In Pseudomonas spp., the GacS/GacA two component system positively controls the production of such sRNAs. They titrate RsmA-like proteins and thus overcome translational repression due to these proteins. As a consequence, secondary metabolites can be produced that are implicated in the biocontrol capacity of P. fluorescens or in the virulence of P. aeruginosa. A genome-wide search carried out in P. aeruginosa PAO1 and in closely related Pseudomonas spp. resulted in the identification of 15 genes coding for sRNAs. Eight of these are novel, the remaining seven have previously been observed. Among them, the 1698 sRNA gene was expressed under GacA control, whereas the transcription of 1887 sRNA gene was transcribed under the control of the anaerobic regulator Anr in an oxygen-limited environment. Overexpression of 1698 sRNA in P. fluorescens strain CHAO did not affect the expression of the GacA-regulated hcnA gene (first gene of the operon coding for HCN synthase), indicating that 1698 sRNA is probably not part of the secondary metabolite regulation pathway. The expression of 1698 sRNA was positively regulated by RpoS in both P. aeruginosa PAO 1 and P. ,fluorescens CHAO and appeared to be modulated temporarily by oxidative stress conditions. However, the effect of 1698 sRNA on oxidative stress survival has not yet been established. Hfq protein interacted with 1698 sRNA in vitro and improved 1698 sRNA expression in vivo in P. aeruginosa. In P. fluorescens, GacA and Hfq were both required for expression of rpoS and GacA showed a positively control on the hfq expression; therefore, at least in this organism, GacA control of 1698 sRNA expression may act indirectly via Hfq and RpoS. Different methods were employed to find abase-pairing target for 1698 sRNA. In a proteomic analysis carried out in P. aeruginosa, positive regulation by 1698 sRNA was observed for Soda, the iron-associated superoxide dismutase, an enzyme involved in oxidative stress resistance. A sequence complementary with 1698 sRNA was predicted to be located in the 5' leader of soda mRNA. However, base-pairing between soda mRNA and 1698 sRNA remains to be proven. In conclusion, this work has revealed eight novel sRNAs and novel functions of two sRNAs in Pseudomonas spp. Résumé Les petits ARNs non-codants (sRNAs) produits par les bactéries sont des transcrits ayant pour la plupart des activités régulatrices importantes. Leurs séquences nucléotidiques ainsi que leurs structures secondaires permettent aux sRNAs d'interagir soit avec des RNA messagers (mRNAs), de sorte à modifier l'expression des protéines pour lesquelles ils codent, soit avec des protéines régulatrices liant des rnRNAs, ce qui a pour effet de modifier l'expression de ces mRNAs. Des sRNAs sont impliqués dans diverses voies de régulation, telles que celles qui régissent la virulence, le stockage du fer, l'organisation des protéines de l'enveloppe bactérienne ou la réponse au stress. Chez les Pseudomonas spp., le système à deux composantes GacS/GacA contrôle la production de métabolites secondaires. Ceux-ci sont engagés dans l'établissement du biocontrôle, chez P. fluorescens, ou. de la virulence, chez P. aeruginosa. La régulation génique dirigée par le système GacS/GacA fait intervenir les sRNAs du type RsmZ, capables de contrecarrer l'action au niveau traductionnel exercée par les protéines régulatrices du type RsmA. Une recherche au niveau du génome a été menée chez P. aeruginosa PAO1 de même que chez des espèces qui lui sont étroitement apparentées, débouchant sur la mise en évidence de 15 gènes codant pour des sRNAs. Parmi ceux-ci, huit ont été découverts pour la première fois et sept confirment des travaux publiés. L'expression du gène du sRNAs 1698 s'avère être régulée par GacA, vraisemblablement de manière indirecte. La transcription du gène du sRNA 1887 montre une dépendance envers Anr, régulateur de l'anaérobiose, et envers une carence en oxygène. La surexpression du sRNA 1698 chez P. fluorescens CHAO n'affecte pas l'expression de hcnA, un gène du régulon GacA, laissant supposer que le sRNA n'intervient pas dans la régulation des métabolites secondaires. Chez P. aeruginosa PAOI et chez P. fluorescens CHAO, RpoS, le facteur sigma du stress, est nécessaire à l'expression du sRNA 1698, et la concentration de ce dernier est modulée par des conditions de stress oxydatif. Toutefois, un effet du sRNA 1698 quant à la survie suite au stress oxydatif n'a pas été établi. Par ailleurs, l'interaction entre le sRNA 1698 et Hfq, la protéine chaperone de RNAs, in vitro ainsi qu'un rôle positif de Hfq pour l'expression du sRNA 1698 in vivo ont été démontrés chez P. aeruginosa. L'induction de l'expression par GacA de rpoS et de hfq a été confirmée chez P. fluorescens CHAO, suggérant que la régulation par GacA du sRNA 1698 pourrait se faire par l'intermédiaire de RpoS et Hfq. Diverses méthodes ont été employées pour identifier un transcrit qui puisse être apparié par le sRNA 1698. Une analyse de protéome chez P. aeruginosa montre que l'expression de Soda, la superoxyde dismutase associée au fer, est positivement régulée par le sRNA 1698. Soda est une enzyme impliquée dans la résistance au stress oxydatif. Une séquence de complémentarité avec le sRNA 1698 a bien été prédite sur le leader 5' du mRNA de soda. Cependant, l'appariement entre le sRNA et son transcrit cible est encore à prouver. En conclusion, ce travail a dévoilé huit nouveaux sRNAs et de nouvelles fonctions pour deux sRNAs chez les Pseudomonas.

A repeated GGA motif is critical for the activity and stability of the riboregulator RsmY of Pseudomonas fluorescens.

The riboregulator RsmY of Pseudomonas fluorescens strain CHA0 is an example of small regulatory RNAs belonging to the global Rsm/Csr regulatory systems controlling diverse cellular processes such as glycogen accumulation, motility, or formation of extracellular products in various bacteria. By binding multiple molecules of the small regulatory protein RsmA, RsmY relieves the negative effect of RsmA on the translation of several target genes involved in the biocontrol properties of strain CHA0. RsmY and functionally related riboregulators have repeated GGA motifs predicted to be exposed in single-stranded regions, notably in the loops of hairpins. The secondary structure of RsmY was corroborated by in vivo cleavage with lead acetate. RsmY mutants lacking three or five (out of six) of the GGA motifs showed reduced ability to derepress the expression of target genes in vivo and failed to bind the RsmA protein efficiently in vitro. The absence of GGA motifs in RsmY mutants resulted in reduced abundance of these transcripts and in a shorter half-life (< or = 6 min as compared with 27 min for wild type RsmY). These results suggest that both the interaction of RsmY with RsmA and the stability of RsmY strongly depend on the GGA repeats and that the ability of RsmY to interact with small regulatory proteins such as RsmA may protect this RNA from degradation.

Regulatory roles of the GacS/GacA two-component system in plant-associated and other gram-negative bacteria.

The sensor kinase GacS and the response regulator GacA are members of a two-component system that is present in a wide variety of gram-negative bacteria and has been studied mainly in enteric bacteria and fluorescent pseudomonads. The GacS/GacA system controls the production of secondary metabolites and extracellular enzymes involved in pathogenicity to plants and animals, biocontrol of soilborne plant diseases, ecological fitness, or tolerance to stress. A current model proposes that GacS senses a still-unknown signal and activates, via a phosphorelay mechanism, the GacA transcription regulator, which in turn triggers the expression of target genes. The GacS protein belongs to the unorthodox sensor kinases, characterized by an autophosphorylation, a receiver, and an output domain. The periplasmic loop domain of GacS is poorly conserved in diverse bacteria. Thus, a common signal interacting with this domain would be unexpected. Based on a comparison with the transcriptional regulator NarL, a secondary structure can be predicted for the GacA sensor kinases. Certain genes whose expression is regulated by the GacS/GacA system are regulated in parallel by the small RNA binding protein RsmA (CsrA) at a posttranscriptional level. It is suggested that the GacS/GacA system operates a switch between primary and secondary metabolism, with a major involvement of posttranscriptional control mechanisms.

Contribution of electrostatic interactions, compactness and quaternary structure to protein thermostability: lessons from structural genomics of Thermotoga maritima.

Studies of the structural basis of protein thermostability have produced a confusing picture. Small sets of proteins have been analyzed from a variety of thermophilic species, suggesting different structural features as responsible for protein thermostability. Taking advantage of the recent advances in structural genomics, we have compiled a relatively large protein structure dataset, which was constructed very carefully and selectively; that is, the dataset contains only experimentally determined structures of proteins from one specific organism, the hyperthermophilic bacterium Thermotoga maritima, and those of close homologs from mesophilic bacteria. In contrast to the conclusions of previous studies, our analyses show that oligomerization order, hydrogen bonds, and secondary structure play minor roles in adaptation to hyperthermophily in bacteria. On the other hand, the data exhibit very significant increases in the density of salt-bridges and in compactness for proteins from T.maritima. The latter effect can be measured by contact order or solvent accessibility, and network analysis shows a specific increase in highly connected residues in this thermophile. These features account for changes in 96% of the protein pairs studied. Our results provide a clear picture of protein thermostability in one species, and a framework for future studies of thermal adaptation.

Synthesis of Janus compounds for the recognition of G-U mismatched nucleobase pairs

The design and synthesis of two Janus-type heterocycles with the capacity to simultaneously recognize guanine and uracyl in G-U mismatched pairs through complementary hydrogen bond pairing is described. Both compounds were conveniently functionalized with a carboxylic function and efficiently attached to a tripeptide sequence by using solid-phase methodologies. Ligands based on the derivatization of such Janus compounds with a small aminoglycoside, neamine, and its guanidinylated analogue have been synthesized, and their interaction with Tau RNA has been investigated by using several biophysical techniques, including UV-monitored melting curves, fluorescence titration experiments, and 1H NMR. The overall results indicated that Janus-neamine/guanidinoneamine showed some preference for the +3 mutated RNA sequence associated with the development of some tauopathies, although preliminary NMR studies have not confirmed binding to G-U pairs. Moreover, a good correlation has been found between the RNA binding affinity of such Janus-containing ligands and their ability to stabilize this secondary structure upon complexation.

Modeling protein evolution using secondary structures

L’évolution des protéines est un domaine important de la recherche en bioinformatique et catalyse l'intérêt de trouver des outils d'alignement qui peuvent être utilisés de manière fiable et modéliser avec précision l'évolution d'une famille de protéines. TM-Align (Zhang and Skolnick, 2005) est considéré comme l'outil idéal pour une telle tâche, en termes de rapidité et de précision. Par conséquent, dans cette étude, TM-Align a été utilisé comme point de référence pour faciliter la détection des autres outils d'alignement qui sont en mesure de préciser l'évolution des protéines. En parallèle, nous avons élargi l'actuel outil d'exploration de structures secondaires de protéines, Helix Explorer (Marrakchi, 2006), afin qu'il puisse également être utilisé comme un outil pour la modélisation de l'évolution des protéines.

La RNase P mitochondriale chez Neurospora crassa

Résumé La Ribonucléase P (RNase P) est une enzyme principalement reconnue pour sa participation à la maturation en 5’des ARN de transfert (ARNt). Cependant, d’autres substrats sont reconnus par l’enzyme. En général, la RNase P est composée d’une sous-unité ARN (le P-ARN, codé par le gène rnpB) qui porte le centre actif de l’enzyme et d’une ou de plusieurs sous-unités protéiques (la P-protéine). Les P-ARN chez toutes les bactéries, la majorité des archéobactéries et dans le génome nucléaire de la plupart des eucaryotes, possèdent généralement une structure secondaire très conservée qui inclut le noyau (P1-P4); l’hélice P4 constitue le site catalytique de l’enzyme et l’hélice P1 apparie les extrémités du P-ARN en stabilisant sa structure globale. Les P-ARN mitochondriaux sont souvent moins conservés et difficiles à découvrir. Dans certains cas, les seules régions de structure primaire qui restent conservées sont celles qui définissent le P4 et le P1. Pour la détection des gènes rnpB, un outil de recherche bioinformatique, basé sur la séquence et le profil de structure secondaire, a été développé dans le laboratoire. Cet outil permet le dépistage de toutes les séquences eucaryotes (nucléaires et mitochondriales) du gène avec une très grande confiance (basée sur une valeur statistique, E-value). Chez les champignons, plusieurs ascomycètes encodent un gène rnpB dans leur génome mitochondrial y compris tous les membres du genre d’Aspergillus. Cependant, chez les espèces voisines, Neurospora crassa, Podospora anserina et Sordaria macrospora, une version mitochondriale de ce gène n’existe pas. Au lieu de cela, elles contiennent deux copies nucléaires du gène, légèrement différentes en taille et en contenu nucléotidique. Mon projet a été établi dans le but d’éclaircir l’évolution de la RNase P mitochondriale (mtRNase P) chez ces trois espèces voisines d’Aspergillus. En ce qui concerne les résultats, des modèles de structures secondaires pour les transcrits de ces gènes ont été construits en se basant sur la structure consensus universelle de la sous-unité ARN de la RNase P. Pour les trois espèces, par la comparaison de ces modèles, nous avons établi que les deux copies nucléaires du gène rnpB sont assez distinctes en séquence et en structure pour pouvoir y penser à une spécialisation de fonction de la RNase P. Chez N. crassa, les deux P-ARN sont modifiés probablement par une coiffe et les extrémités 5’, 3’ sont conformes à nos modèles, ayant un P1 allongé. Encore chez N. crassa, nous avons constaté que les deux copies sont transcrites au même niveau dans le cytoplasme et que la plus petite et la plus stable d’entre elles (Nc1) se retrouve dans l’extrait matriciel mitochondrial. Lors du suivi du P-ARN dans diverses sous-fractions provenant de la matrice mitochondriale soluble, Nc1 est associée avec l’activité de la RNase P. La caractérisation du complexe protéique, isolé à partir de la fraction active sur un gel non dénaturant, révèle qu’il contient au moins 87 protéines, 73 d’entre elles ayant déjà une localisation mitochondriale connue. Comme chez la levure, les protéines de ce complexe sont impliquées dans plusieurs fonctions cellulaires comme le processing de l’ADN/ARN, le métabolisme, dans la traduction et d’autres (par exemple : la protéolyse et le repliement des protéines, ainsi que la maintenance du génome mitochondrial). Pour trois protéines, leur fonction est non déterminée.

Une signature du polymorphisme structural d’acides ribonucléiques non-codants permettant de comparer leurs niveaux d’activités biochimiques

Des évidences expérimentales récentes indiquent que les ARN changent de structures au fil du temps, parfois très rapidement, et que ces changements sont nécessaires à leurs activités biochimiques. La structure de ces ARN est donc dynamique. Ces mêmes évidences notent également que les structures clés impliquées sont prédites par le logiciel de prédiction de structure secondaire MC-Fold. En comparant les prédictions de structures du logiciel MC-Fold, nous avons constaté un lien clair entre les structures presque optimales (en termes de stabilité prédites par ce logiciel) et les variations d’activités biochimiques conséquentes à des changements ponctuels dans la séquence. Nous avons comparé les séquences d’ARN du point de vue de leurs structures dynamiques afin d’investiguer la similarité de leurs fonctions biologiques. Ceci a nécessité une accélération notable du logiciel MC-Fold. L’approche algorithmique est décrite au chapitre 1. Au chapitre 2 nous classons les impacts de légères variations de séquences des microARN sur la fonction naturelle de ceux-ci. Au chapitre 3 nous identifions des fenêtres dans de longs ARN dont les structures dynamiques occupent possiblement des rôles dans les désordres du spectre autistique et dans la polarisation des œufs de certains batraciens (Xenopus spp.).

Identification de caractéristiques communes et rares dans les ARN structurés dans la base de données Rfam

Les ARN non codants (ARNnc) sont des transcrits d'ARN qui ne sont pas traduits en protéines et qui pourtant ont des fonctions clés et variées dans la cellule telles que la régulation des gènes, la transcription et la traduction. Parmi les nombreuses catégories d'ARNnc qui ont été découvertes, on trouve des ARN bien connus tels que les ARN ribosomiques (ARNr), les ARN de transfert (ARNt), les snoARN et les microARN (miARN). Les fonctions des ARNnc sont étroitement liées à leurs structures d’où l’importance de développer des outils de prédiction de structure et des méthodes de recherche de nouveaux ARNnc. Les progrès technologiques ont mis à la disposition des chercheurs des informations abondantes sur les séquences d'ARN. Ces informations sont accessibles dans des bases de données telles que Rfam, qui fournit des alignements et des informations structurelles sur de nombreuses familles d'ARNnc. Dans ce travail, nous avons récupéré toutes les séquences des structures secondaires annotées dans Rfam, telles que les boucles en épingle à cheveux, les boucles internes, les renflements « bulge », etc. dans toutes les familles d'ARNnc. Une base de données locale, RNAstem, a été créée pour faciliter la manipulation et la compilation des données sur les motifs de structure secondaire. Nous avons analysé toutes les boucles terminales et internes ainsi que les « bulges » et nous avons calculé un score d’abondance qui nous a permis d’étudier la fréquence de ces motifs. Tout en minimisant le biais de la surreprésentation de certaines classes d’ARN telles que l’ARN ribosomal, l’analyse des scores a permis de caractériser les motifs rares pour chacune des catégories d’ARN en plus de confirmer des motifs communs comme les boucles de type GNRA ou UNCG. Nous avons identifié des motifs abondants qui n’ont pas été étudiés auparavant tels que la « tetraloop » UUUU. En analysant le contenu de ces motifs en nucléotides, nous avons remarqué que ces régions simples brins contiennent beaucoup plus de nucléotides A et U. Enfin, nous avons exploré la possibilité d’utiliser ces scores pour la conception d’un filtre qui permettrait d’accélérer la recherche de nouveaux ARN non-codants. Nous avons développé un système de scores, RNAscore, qui permet d’évaluer un ARN en se basant sur son contenu en motifs et nous avons testé son applicabilité avec différents types de contrôles.

Hydrogelation and self-assembly of Fmoc-tripeptides: unexpected influence of sequence on self-assembled fibril structure, and hydrogel modulus and anisotropy

The self-assembly and hydrogelation properties of two Fmoc-tripeptides [Fmoc = N-(fluorenyl-9-methoxycarbonyl)] are investigated, in borate buffer and other basic solutions. A remarkable difference in self-assembly properties is observed comparing Fmoc-VLK(Boc) with Fmoc-K(Boc)LV, both containing K protected by N(epsilon)-tert-butyloxycarbonate (Boc). In borate buffer, the former peptide forms highly anisotropic fibrils which show local alignment, and the hydrogels show flow-aligning properties. In contrast, Fmoc-K(Boc)LV forms highly branched fibrils that produce isotropic hydrogels with a much higher modulus (G' > 10(4) Pa), and lower concentration for hydrogel formation. The distinct self-assembled structures are ascribed to conformational differences, as revealed by secondary structure probes (CD, FTIR, Raman spectroscopy) and X-ray diffraction. Fmoc-VLK(Boc) forms well-defined beta-sheets with a cross-beta X-ray diffraction pattern, whereas Fmoc-KLV(Boc) forms unoriented assemblies with multiple stacked sheets. Interchange of the K and V residues when inverting the tripeptide sequence thus leads to substantial differences in self-assembled structures, suggesting a promising approach to control hydrogel properties.

Protein structure prediction servers at University College London

A number of state-of-the-art protein structure prediction servers have been developed by researchers working in the Bioinformatics Unit at University College London. The popular PSIPRED server allows users to perform secondary structure prediction, transmembrane topology prediction and protein fold recognition. More recent servers include DISOPRED for the prediction of protein dynamic disorder and DomPred for domain boundary prediction.

The PSIPRED protein structure prediction server

The PSIPRED protein structure prediction server allows users to submit a protein sequence, perform a prediction of their choice and receive the results of the prediction both textually via e-mail and graphically via the web. The user may select one of three prediction methods to apply to their sequence: PSIPRED, a highly accurate secondary structure prediction method; MEMSAT 2, a new version of a widely used transmembrane topology prediction method; or GenTHREADER, a sequence profile based fold recognition method.

Molecular archaeology of Flaviviridae untranslated regions: duplicated RNA structures in the replication enhancer of flaviviruses and pestiviruses emerged via convergent evolution.

RNA secondary structures in the 3'untranslated regions (3'UTR) of the viruses of the family Flaviviridae, previously identified as essential (promoters) or beneficial (enhancers) for replication, have been analysed. Duplicated enhancer elements are revealed as a global feature in the evolution of the 3'UTR of distantly related viruses within the genera Flavivirus and Pestivirus. For the flaviviruses, duplicated structures occur in the 3'UTR of all four distantly related ecological virus subgroups (tick-borne, mosquito-borne, no known vector and insect-specific flaviviruses (ISFV). RNA structural differences distinguish tick-borne flaviviruses with discrete pathogenetic characteristics. For Aedes- and Culex-associated ISFV, secondary RNA structures with different conformations display numerous short ssRNA direct repeats, exposed as loops and bulges. Long quadruplicate regions comprise almost the entire 3'UTR of Culex-associated ISFV. Extended duplicated sequence and associated RNA structures were also discovered in the 3'UTR of pestiviruses. In both the Flavivirus and Pestivirus genera, duplicated RNA structures were localized to the enhancer regions of the 3'UTR suggesting an adaptive role predominantly in wild-type viruses. We propose sequence reiteration might act as a scaffold for dimerization of proteins involved in assembly of viral replicase complexes. Numerous nucleotide repeats exposed as loops/bulges might also interfere with host immune responses acting as a molecular sponge to sequester key host proteins or microRNAs.

The three-dimensional structure of bothropasin, the main hemorrhagic factor from Bothrops jararaca venom: Insights for a new classification of snake venom metalloprotease subgroups

Bothropasin is a 48 kDa hemorrhagic PIII snake venom metalloprotease (SVMP) isolated from Bothrops jararaca, containing disintegrin/cysteine-rich adhesive domains. Here we present the crystal structure of bothropasin complexed with the inhibitor POL647. The catalytic domain consists of a scaffold of two subdomains organized similarly to those described for other SVMPs, including the zinc and calcium-binding sites. The free cysteine residue Cys(189) is located within a hydrophobic core and it is not available for disulfide bonding or other interactions. There is no identifiable secondary structure for the disintegrin domain, but instead it is composed mostly of loops stabilized by seven disulfide bonds and by two calcium ions. The ECD region is in a loop and is structurally related to the RGD region of RGD disintegrins, which are derived from I`ll SVMPs. The ECD motif is stabilized by the Cys(117)_Cys(310) disulfide bond (between the disintegrin and cysteine-rich domains) and by one calcium ion. The side chain of Glu(276) of the ECD motif is exposed to solvent and free to make interactions. In bothropasin, the HVR (hyper-variable region) described for other Pill SVMPs in the cysteine-rich domain, presents a well-conserved sequence with respect to several other Pill members from different species. We propose that this subset be referred to as PIII-HCR (highly conserved region) SVMPs. The differences in the disintegrin-like, cysteine-rich or disintegrin-like cysteine-rich domains may be involved in selecting target binding, which in turn could generate substrate diversity or specificity for the catalytic domain. (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.