GTPase activity of dynamin and resulting conformation change are essential for endocytosis

Dynamin is a large GTPase with a relative molecular mass of 96,000 (Mr 96K) that is involved in clathrin-mediated endocytosis and other vesicular trafficking processes. Although its function is apparently essential for scission of newly formed vesicles from the plasma membrane, the nature of dynamin's role in the scission process is still unclear. It has been proposed that dynamin is a regulator (similar to classical G proteins) of downstream effectors. Here we report the analysis of several point mutants of dynamin's GTPase effector (GED) and GTPase domains. We show that oligomerization and GTP binding alone, by dynamin, are not sufficient for endocytosis in vivo. Rather, efficient GTP hydrolysis and an associated conformational change are also required. These data argue that dynamin has a mechanochemical function in vesicle scission.

MRZ-99030 – a novel modulator of Aβ aggregation: II – reversal of Aβ oligomer-induced deficits in long-term potentiation (LTP) and cognitive performance in rats and mice.

β-amyloid1-42 (Aβ1-42) is a major endogenous pathogen underlying the aetiology of Alzheimer's disease (AD). Recent evidence indicates that soluble Aβ oligomers, rather than plaques, are the major cause of synaptic dysfunction and neurodegeneration. Small molecules that suppress Aβ aggregation, reduce oligomer stability or promote off-pathway non-toxic oligomerization represent a promising alternative strategy for neuroprotection in AD. MRZ-99030 was recently identified as a dipeptide that modulates Aβ1-42 aggregation by triggering a non-amyloidogenic aggregation pathway, thereby reducing the amount of intermediate toxic soluble oligomeric Aβ species. The present study evaluated the relevance of these promising results with MRZ-99030 under pathophysiological conditions i.e. against the synaptotoxic effects of Aβ oligomers on hippocampal long term potentiation (LTP) and two different memory tasks. Aβ1-42 interferes with the glutamatergic system and with neuronal Ca2+ signalling and abolishes the induction of LTP. Here we demonstrate that MRZ-99030 (100–500 nM) at a 10:1 stoichiometric excess to Aβ clearly reversed the synaptotoxic effects of Aβ1-42 oligomers on CA1-LTP in murine hippocampal slices. Co-application of MRZ-99030 also prevented the two-fold increase in resting Ca2+ levels in pyramidal neuron dendrites and spines triggered by Aβ1-42 oligomers. In anaesthetized rats, pre-administration of MRZ-99030 (50 mg/kg s.c.) protected against deficits in hippocampal LTP following i.c.v. injection of oligomeric Aβ1-42. Furthermore, similar treatment significantly ameliorated cognitive deficits in an object recognition task and under an alternating lever cyclic ratio schedule after the i.c.v. application of Aβ1-42 and 7PA2 conditioned medium, respectively. Altogether, these results demonstrate the potential therapeutic benefit of MRZ-99030 in AD.

Modulation of calcitonin amyloid formation by anionic lipid membranes

Tese de mestrado em Bioquímica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2014

Structural Diversity in Antibody Interactions with HIV-1 Env Immunogens

Thesis (Ph.D.)--University of Washington, 2013

Contribution to drug discovery and development for tauopathies using yeast as a model

This work aimed to contribute to drug discovery and development (DDD) for tauopathies, while expanding our knowledge on this group of neurodegenerative disorders, including Alzheimer’s disease (AD). Using yeast, a recognized model for neurodegeneration studies, useful models were produced for the study of tau interaction with beta-amyloid (Aβ), both AD hallmark proteins. The characterization of these models suggests that these proteins co-localize and that Aβ1-42, which is toxic to yeast, is involved in tau40 phosphorylation (Ser396/404) via the GSK-3β yeast orthologue, whereas tau seems to facilitate Aβ1-42 oligomerization. The mapping of tau’s interactome in yeast, achieved with a tau toxicity enhancer screen using the yeast deletion collection, provided a novel framework, composed of 31 genes, to identify new mechanisms associated with tau pathology, as well as to identify new drug targets or biomarkers. This genomic screen also allowed to select the yeast strain mir1Δ-tau40 for development of a new GPSD2TM drug discovery screening system. A library of unique 138 marine bacteria extracts, obtained from the Mid-Atlantic Ridge hydrothermal vents, was screened with mir1Δ-tau40. Three extracts were identified as suppressors of tau toxicity and constitute good starting points for DDD programs. mir1Δ strain was sensitive to tau toxicity, relating tau pathology with mitochondrial function. SLC25A3, the human homologue of MIR1, codes for the mitochondrial phosphate carrier protein (PiC). Resorting to iRNA, SLC25A3 expression was silenced in human neuroglioma cells, as a first step towards the engineering of a neural model for replicating the results obtained in yeast. This model is essential to understand the mechanisms of tau toxicity at the mitochondrial level and to validate PiC as a relevant drug target. The set of DDD tools here presented will foster the development of innovative and efficacious therapies, urgently needed to cope with tau-related disorders of high human and social-economic impact.

Cracking the BAFF code.

The tumour necrosis factor (TNF) family members B cell activating factor (BAFF) and APRIL (a proliferation-inducing ligand) are crucial survival factors for peripheral B cells. An excess of BAFF leads to the development of autoimmune disorders in animal models, and high levels of BAFF have been detected in the serum of patients with various autoimmune conditions. In this Review, we consider the possibility that in mice autoimmunity induced by BAFF is linked to T cell-independent B cell activation rather than to a severe breakdown of B cell tolerance. We also outline the mechanisms of BAFF signalling, the impact of ligand oligomerization on receptor activation and the progress of BAFF-depleting agents in the clinical setting.

The specificity of TRIM5 alpha-mediated restriction is influenced by its coiled-coil domain.

Retroviruses are both powerful evolutionary forces and dangerous threats to genome integrity. As such, they have imposed strong selective pressure on their hosts, notably triggering the emergence of restriction factors, such as TRIM5 alpha, that act as potent barriers to their cross-species transmission. TRIM5 alpha orthologues from different primates have distinct retroviral restriction patterns, largely dictated by the sequence of their C-terminal PRYSPRY domain, which binds the capsid protein of incoming virions. Here, by combining genetic and functional analyses of human and squirrel monkey TRIM5 alpha, we demonstrate that the coiled-coil domain of this protein, thus far essentially known for mediating oligomerization, also conditions the spectrum of antiretroviral activity. Furthermore, we identify three coiled-coil residues responsible for this effect, one of which has been under positive selection during primate evolution, notably in New World monkeys. These results indicate that the PRYSPRY and coiled-coil domains cooperate to determine the specificity of TRIM5 alpha-mediated capture of retroviral capsids, shedding new light on this complex event.

Identification of a novel determinant for membrane association in hepatitis C virus nonstructural protein 4B.

Nonstructural protein 4B (NS4B) plays an essential role in the formation of the hepatitis C virus (HCV) replication complex. It is a relatively poorly characterized integral membrane protein predicted to comprise four transmembrane segments in its central portion. Here, we describe a novel determinant for membrane association represented by amino acids (aa) 40 to 69 in the N-terminal portion of NS4B. This segment was sufficient to target and tightly anchor the green fluorescent protein to cellular membranes, as assessed by fluorescence microscopy as well as membrane extraction and flotation analyses. Circular dichroism and nuclear magnetic resonance structural analyses showed that this segment comprises an amphipathic alpha-helix extending from aa 42 to 66. Attenuated total reflection infrared spectroscopy and glycosylation acceptor site tagging revealed that this amphipathic alpha-helix has the potential to traverse the phospholipid bilayer as a transmembrane segment, likely upon oligomerization. Alanine substitution of the fully conserved aromatic residues on the hydrophobic helix side abrogated membrane association of the segment comprising aa 40 to 69 and disrupted the formation of a functional replication complex. These results provide the first atomic resolution structure of an essential membrane-associated determinant of HCV NS4B.

A new class of isothiocyanate-based irreversible inhibitors of macrophage migration inhibitory factor.

Macrophage migration inhibitory factor (MIF) is a homotrimeric multifunctional proinflammatory cytokine that has been implicated in the pathogenesis of several inflammatory and autoimmune diseases. Current therapeutic strategies for targeting MIF focus on developing inhibitors of its tautomerase activity or modulating its biological activities using anti-MIF neutralizing antibodies. Herein we report a new class of isothiocyanate (ITC)-based irreversible inhibitors of MIF. Modification by benzyl isothiocyanate (BITC) and related analogues occurred at the N-terminal catalytic proline residue without any effect on the oligomerization state of MIF. Different alkyl and arylalkyl ITCs modified MIF with nearly the same efficiency as BITC. To elucidate the mechanism of action, we performed detailed biochemical, biophysical, and structural studies to determine the effect of BITC and its analogues on the conformational state, quaternary structure, catalytic activity, receptor binding, and biological activity of MIF. Light scattering, analytical ultracentrifugation, and NMR studies on unmodified and ITC-modified MIF demonstrated that modification of Pro1 alters the tertiary, but not the secondary or quaternary, structure of the trimer without affecting its thermodynamic stability. BITC induced drastic effects on the tertiary structure of MIF, in particular residues that cluster around Pro1 and constitute the tautomerase active site. These changes in tertiary structure and the loss of catalytic activity translated into a reduction in MIF receptor binding activity, MIF-mediated glucocorticoid overriding, and MIF-induced Akt phosphorylation. Together, these findings highlight the role of tertiary structure in modulating the biochemical and biological activities of MIF and present new opportunities for modulating MIF biological activities in vivo.

Assemblage oligomérique des récepteurs couplés aux protéines G avec les RAMPs

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPGs) constituent la plus grande classe de récepteurs membranaires impliqués dans la transmission des signaux extracellulaires. Traditionnellement, la transmission de la signalisation par les RCPGs implique l’activation d’une protéine G hétéro-trimérique qui pourra à son tour moduler l’activité de divers effecteurs intracellulaires. Ce schéma classique de signalisation s’est complexifié au fils des années et l’on sait maintenant qu’en plus d’interagir avec les protéines G, les RCPGs s’associent avec une panoplie d’autres protéines afin de transmettre adéquatement les signaux extracellulaires. En particulier, la découverte d’une famille de protéines transmembranaires modulant la fonction des RCPGs, baptisées protéines modifiant l’activité des récepteurs (« receptor activity-modifying proteins » ; RAMPs), a changé la façon de concevoir la signalisation par certains RCPGs. Dans le cas du récepteur similaire au récepteur de la calcitonine (« calcitonin-like receptor » ; CLR), l’association avec les RAMPs permet l’acheminement à la surface cellulaire du récepteur tout en modulant ses propriétés pharmacologiques. Lorsqu’il est associé avec RAMP1, le CLR fonctionne comme un récepteur du peptide relié au gène de la calcitonine (« calcitonin gene-related peptide » ; CGRP), alors qu’il devient un récepteur de l’adrénomedulline lorsqu’il interagit avec RAMP2 ou RAMP3. D’autre part, en plus d’interagir avec des protéines accessoires transmembranaires telles les RAMPs, les RCPGs peuvent aussi s’associer entre eux pour former des oligomères de récepteurs. Dans cette thèse, nous nous sommes penchés sur les interactions entre les RCPGs et les RAMPs, et plus particulièrement sur l’interrelation entre ce type d’association RCPG/RAMP et l’assemblage en oligomères de récepteurs, en utilisant le récepteur du CGRP comme modèle d’étude. Une première étude nous a tout d’abord permis de confirmer l’interaction entre le récepteur CLR et RAMP1, dans un contexte de cellules vivantes. Nous avons démontré que ce complexe CLR/RAMP1 active la protéine G et recrute la protéine de signalisation -arrestine suite à une stimulation par le CGRP. Ensuite, nous avons déterminé que même s’il doit obligatoirement former un hétéro-oligomère avec les RAMPs pour être actif, le CLR conserve malgré tout sa capacité à interagir avec d’autres RCPGs. En plus d’observer la présence d’homo-oligomère de CLR, nous avons constaté que tout comme les RCPGs, les RAMPs peuvent eux-aussi s’associer entre eux pour former des complexes oligomériques pouvant comprendre différents sous-types (RAMP1/RAMP2 et RAMP1/RAMP3). Cette observation de la présence d’homo-oligomères de CLR et de RAMP1, nous a amené à nous questionner sur la stœchiométrie d’interaction du complexe CLR/RAMP1. Dans une deuxième étude ayant pour but d’établir la composition moléculaire du récepteur CGRP1 in vivo, nous avons développé une nouvelle approche permettant l’étude de l’interaction entre trois protéines dans un contexte de cellules vivantes. Cette technique baptisée BRET/BiFC, est basée sur le transfert d’énergie de résonance de bioluminescence entre un donneur luminescent, la Renilla luciférase, et un accepteur fluorescent, la protéine fluorescente jaune (YFP), reconstituée suite au ré-assemblage de ces deux fragments. En utilisant cette approche, nous avons pu déterminer que le récepteur CGRP1 est constitué d’un homo-oligomère de CLR interagissant avec un monomère de RAMP1. En démontrant un assemblage oligomérique asymétrique pour le récepteur CGRP1 à partir d’une nouvelle approche biophysique, nous croyons que les travaux présentés dans cette thèse ont contribué à élargir nos connaissances sur le fonctionnement de la grande famille des RCPGs, et seront utile à la poursuite des recherches sur les complexes protéiques impliqués dans la signalisation.

Étude structurale du mode de liaison des protéines Whirly de plantes à l’ADN monocaténaire

Les plantes doivent assurer la protection de trois génomes localisés dans le noyau, les chloroplastes et les mitochondries. Si les mécanismes assurant la réparation de l’ADN nucléaire sont relativement bien compris, il n’en va pas de même pour celui des chloroplastes et des mitochondries. Or il est important de bien comprendre ces mécanismes puisque des dommages à l’ADN non ou mal réparés peuvent entraîner des réarrangements dans les génomes. Chez les plantes, de tels réarrangements dans l’ADN mitochondrial ou dans l’ADN chloroplastique peuvent conduire à une perte de vigueur ou à un ralentissement de la croissance. Récemment, notre laboratoire a identifié une famille de protéines, les Whirly, dont les membres se localisent au niveau des mitochondries et des chloroplastes. Ces protéines forment des tétramères qui lient l’ADN monocaténaire et qui accomplissent de nombreuses fonctions associées au métabolisme de l’ADN. Chez Arabidopsis, deux de ces protéines ont été associées au maintien de la stabilité du génome du chloroplaste. On ignore cependant si ces protéines sont impliquées dans la réparation de l’ADN. Notre étude chez Arabidopsis démontre que des cassures bicaténaires de l’ADN sont prises en charge dans les mitochondries et les chloroplastes par une voie de réparation dépendant de très courtes séquences répétées (de cinq à cinquante paires de bases) d’ADN. Nous avons également montré que les protéines Whirly modulent cette voie de réparation. Plus précisément, leur rôle serait de promouvoir une réparation fidèle de l’ADN en empêchant la formation de réarrangements dans les génomes de ces organites. Pour comprendre comment les protéines Whirly sont impliquées dans ce processus, nous avons élucidé la structure cristalline d’un complexe Whirly-ADN. Nous avons ainsi pu montrer que les Whirly lient et protègent l’ADN monocaténaire sans spécificité de séquence. La liaison de l’ADN s’effectue entre les feuillets β de sous-unités contiguës du tétramère. Cette configuration maintient l’ADN sous une forme monocaténaire et empêche son appariement avec des acides nucléiques de séquence complémentaire. Ainsi, les protéines Whirly peuvent empêcher la formation de réarrangements et favoriser une réparation fidèle de l’ADN. Nous avons également montré que, lors de la liaison de très longues séquences d’ADN, les protéines Whirly peuvent s’agencer en superstructures d’hexamères de tétramères, formant ainsi des particules sphériques de douze nanomètres de diamètre. En particulier, nous avons pu démontrer l’importance d’un résidu lysine conservé chez les Whirly de plantes dans le maintien de la stabilité de ces superstructures, dans la liaison coopérative de l’ADN, ainsi que dans la réparation de l’ADN chez Arabidopsis. Globalement, notre étude amène de nouvelles connaissances quant aux mécanismes de réparation de l’ADN dans les organites de plantes ainsi que le rôle des protéines Whirly dans ce processus.

Préparation, caractérisation et étude de réactivité de complexes de nickel comportant un ligand de type "pincer"

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Étude des mécanismes moléculaires de formation des pores des toxines formeuses de pores par la spectroscopie de fluorescence

Les toxines formeuses de pore (PFTs) sont des protéines exogènes responsables d’un grand nombre de maladies infectieuses qui perméabilisent les membranes cellulaires de leur hôte. La formation des pores ou l’introduction d’une enzyme dans le cytoplasme peut entrainer l’apparition de symptômes de maladies connues (l’anthrax, le botulisme) et, dans le pire des cas, la mort. Les mécanismes d’infection et de destruction des cellules infectées sont bien caractérisés. Toutefois, l’aspect dynamique des changements de conformation durant le processus de perméabilisation reste à découvrir pour la majorité des toxines formeuses de pore. Le but de cette thèse est d’étudier les mécanismes d’oligomérisation des PFTs, ainsi que la formation des pores à la membrane lipidique grâce à la spectroscopie de fluorescence. Nous avons choisi la toxine Cry1Aa, un bio pesticide produit par le bacille de Thuringe et qui a été rigoureusement caractérisé, en tant que modèle d’étude. La topologie de la Cry1Aa à l’état actif et inactif a pu être résolue grâce à l’utilisation d’une technique de spectroscopie de fluorescence, le FRET ou transfert d’énergie par résonance entre un fluorophore greffé au domaine formeur de pore (D1) et un accepteur non fluorescent (le DPA ou dipicrylamine) localisé dans la membrane et qui bouge selon le potentiel membranaire. Le courant électrique, ainsi que la fluorescence provenant de la bicouche lipidique membranaire horizontale ont été enregistrés simultanément. De cette manière, nous avons pu localiser toutes les boucles reliant les hélices de D1 avant et après la formation des pores. Dans la forme inactive de la toxine, toutes ces boucles se trouvent du côté interne de la bicouche lipidique, mais dans sa forme active l’épingle α3-α4 traverse du côté externe, alors que toutes les autres hélices demeurent du côté interne. Ces résultats suggèrent que α3-α4 forment le pore. Nous avons découvert que la toxine change significativement de conformation une fois qu’elle se trouve dans la bicouche lipidique, et que la Cry1Aa attaque la membrane lipidique de l’extérieur, mais en formant le pore de l’intérieur. Dans le but de caractériser la distribution de toxines à chaque extrémité de la bicouche, nous avons utilisé une technique de double FRET avec deux accepteurs ayant des vitesses de translocation différentes (le DPA et l’oxonol) dans la membrane lipidique. De cette manière, nous avons déterminé que la toxine était présente des deux côtés de la bicouche lipidique durant le processus de perméabilisation. La dynamique d’oligomérisation de la toxine dans une bicouche lipidique sans récepteurs a été étudiée avec une technique permettant le compte des sauts de fluorescence après le photoblanchiment des fluorophore liés aux sous unités composant un oligomère présent dans la bicouche lipidique supportée. Nous avons confirmé de cette manière que la protéine formait ultimement des tétramères, et que cet état résultait de la diffusion des monomères de toxine dans la bicouche et de leur assemblage subséquent. Enfin nous avons voulu étudier le « gating » de la colicine Ia, provenant de la bactérie E.Coli, dans le but d’observer les mouvements que font deux positions supposées traverser la bicouche lipidique selon le voltage imposé aux bornes de la bicouche. Nos résultats préliminaires nous permettent d’observer un mouvement partiel (et non total) de ces positions, tel que le suggèrent les études de conductances du canal.

Étude numérique des premières étapes d'agrégation du peptide amyloïde GNNQQNY, impliqué dans une maladie à prion.

Les protéines amyloïdes sont impliquées dans les maladies neurodégénératives comme Alzheimer, Parkinson et les maladies à prions et forment des structures complexes, les fibres amyloïdes. Le mécanisme de formation de ces fibres est un processus complexe qui implique plusieurs espèces d’agrégats intermédiaires. Parmi ces espèces, des petits agrégats, les oligomères, sont reconnus comme étant l’espèce amyloïde toxique, mais leur mécanisme de toxicité et d’agrégation sont mal compris. Cette thèse présente les résultats d’une étude numérique des premières étapes d’oligomérisation d’un peptide modèle GNNQQNY, issu d’une protéine prion, pour des systèmes allant du trimère au 50-mère, par le biais de simulations de dynamique moléculaire couplée au potentiel gros-grain OPEP. Nous trouvons que le mécanisme d’agrégation du peptide GNNQQNY suit un processus complexe de nucléation, tel qu’observé expérimentalement pour plusieurs protéines amyloïdes. Nous observons aussi que plusieurs chemins de formation sont accessibles à l’échelle du 20-mère et du 50-mère, ce qui confère aux structures un certain degré de polymorphisme et nous sommes capable de reproduire, dans nos simulations, des oligomères protofibrillaires qui présentent des caractéristiques structurelles observées expérimentalement chez les fibres amyloïdes.

Études des premières étapes d’oligomérisation de la région Non-Aβ Component de l’a-synucléine et de Aβ1-40

Les protéines amyloïdes sont retrouvées sous forme de fibres dans de nombreuses maladies neurodégénératives. En tentant d’élucider le mécanisme de fibrillation, les chercheurs ont découvert que cette réaction se fait par un phénomène de nucléation passant par des oligomères. Il semblerait que ces espèces soient la principale cause de la toxicité observée dans les cellules des patients atteints d’amyloïdose. C’est pourquoi un intérêt particulier est donc porté aux premières étapes d’oligomérisation. Dans ce mémoire, nous nous intéressons à une séquence d’acide aminé fortement hydrophobe de l’α-synucléine appelée composante non β -amyloïde (Non-Amyloid β Component ou NAC). Cette dernière est retrouvée sous forme de fibres dans les corps et les neurites de Lewy des patients atteints de la maladie de Parkinson. De plus, elle constitue une composante minoritaire des fibres impliquées dans la maladie d’Alzheimer. Nous avons observé les changements structuraux qui ont lieu pour le monomère, le dimère et le trimère de la séquence NAC de l’α-synucléine. Nous nous sommes aussi intéressés aux conséquences structurelles observées dans des oligomères hétérogènes qui impliqueraient, Aβ1−40. Pour cela nous utilisons des dynamiques moléculaires, d’échange de répliques couplées au potentiel gros-grain, OPEP. Nous constatons une disparition des hélices α au profit des feuillets β , ainsi que le polymorphisme caractéristique des fibres amyloïdes. Certaines régions se sont démarquées par leurs capacités à former des feuillets β . La disparition de ces régions lorsque NAC est combinée à Aβ laisse entrevoir l’importance de l’emplacement des résidus hydrophobes dans des structures susceptibles de former des fibres amyloïdes.