Amino acids of the alpha1B-adrenergic receptor involved in agonist binding: differences in docking catecholamines to receptor subtypes.

Site-directed mutagenesis and molecular dynamics analysis of the 3-D model of the alpha1B-adrenergic receptor (AR) were combined to identify the molecular determinants of the receptor involved in catecholamine binding. Our results indicate that the three conserved serines in the fifth transmembrane domain (TMD) of the alpha1B-AR play a distinct role in catecholamine binding versus receptor activation. In addition to the amino acids D125 in TMDIII and S207 in TMDV directly involved in ligand binding, our findings identify a large number of polar residues playing an important role in the activation process of the alpha1B-AR thus providing new insights into the structure/function relationship of G protein-coupled receptors.

Quantifying network properties in multi-electrode recordings: spatiotemporal characterization and inter-trial variation of evoked gamma oscillations in mouse somatosensory cortex in vitro.

Linking the structural connectivity of brain circuits to their cooperative dynamics and emergent functions is a central aim of neuroscience research. Graph theory has recently been applied to study the structure-function relationship of networks, where dynamical similarity of different nodes has been turned into a "static" functional connection. However, the capability of the brain to adapt, learn and process external stimuli requires a constant dynamical functional rewiring between circuitries and cell assemblies. Hence, we must capture the changes of network functional connectivity over time. Multi-electrode array data present a unique challenge within this framework. We study the dynamics of gamma oscillations in acute slices of the somatosensory cortex from juvenile mice recorded by planar multi-electrode arrays. Bursts of gamma oscillatory activity lasting a few hundred milliseconds could be initiated only by brief trains of electrical stimulations applied at the deepest cortical layers and simultaneously delivered at multiple locations. Local field potentials were used to study the spatio-temporal properties and the instantaneous synchronization profile of the gamma oscillatory activity, combined with current source density (CSD) analysis. Pair-wise differences in the oscillation phase were used to determine the presence of instantaneous synchronization between the different sites of the circuitry during the oscillatory period. Despite variation in the duration of the oscillatory response over successive trials, they showed a constant average power, suggesting that the rate of expenditure of energy during the gamma bursts is consistent across repeated stimulations. Within each gamma burst, the functional connectivity map reflected the columnar organization of the neocortex. Over successive trials, an apparently random rearrangement of the functional connectivity was observed, with a more stable columnar than horizontal organization. This work reveals new features of evoked gamma oscillations in developing cortex.

Estudi de la relació estructura-funció de les proteïnes CPT1

En aquest treball s’ha analitzat la relació estructura-funció dels enzims CPT1, o Carnitina palmitoïltransferasa 1, que catalitza la reacció de transesterificació dels àcids grassos de cadena llarga a acil-carnitines, per tal que puguin accedir a la matriu mitocondrial i ser oxidats. Aquest enzim es troba estrictament regulat per malonil-CoA, primer intermediari de la síntesi d’àcids grassos, establint-se així una regulació coordinada entre la formació i la degradació de grasses. S’han estudiat els tres isotips de CPT1 descrits fins al moment: CPT1A, CPT1B i CPT1C. Mitjançant l’expressió heteròloga de mutants de CPT1A de rata i CPT1B de porc en el llevat P. pastoris, s’ha estudiat l’efecte sobre la inhibició per malonil-CoA de petits canvis en la seva estructura, per tal de trobar una relació entre la seva funció enzimàtica i la disposició conformacional de la proteïna. Segons els resultats obtinguts, el residu Glu590 de CPT1A de rata estaria impedint la unió de l’inhibidor, mentre que el residu Met593 estaria afavorint aquesta unió. Els estudis amb l’enzim CPT1B de porc demostraren l’existència d’un determinant positiu per la sensibilitat al malonil-CoA en els primers 18 residus de la proteïna, i definiren la posició Glu17 com la responsable de l’alta afinitat a la carnitina i la baixa sensibilitat a la inhibició per malonil-CoA (8). Es clonà i caracteritzà la regió promotora del gen de CPT1C humana, amb la intenció d’analitzar la funcionalitat de putatius elements de resposta identificats in silico. Cap dels elements estudiats resultà ser funcional in vivo. A més, es demostrà que la manca d’activitat catalítica de la proteïna no és deguda a l’extensió C-terminal que presenta respecte els isotips A i B, tot i presentar un alt percentatge d’identitat de seqüència. S’ha amplificat una isoforma humana de CPT1C (Pubmed Acc. Num. AK299866), corresponent a la regió carboxiterminal de la proteïna, que es pretén utilitzar per obtenir el primer cristall de la part soluble d’una proteïna CPT1.     

Molecular mechanisms involved in the activation and regulation of the alpha 1-adrenergic receptor subtypes.

The adrenergic receptors (ARs) belong to the superfamily of membrane-bound G protein coupled receptors (GPCRs). Our investigation has focused on the structure-function relationship of the alpha 1b-AR subtype used as the model system for other GPCRs. Site-directed mutagenesis studies have elucidated the structural domains of the alpha 1b-AR involved in ligand binding, G protein coupling or desensitization. In addition, a combined approach using site-directed mutagenesis and molecular dynamics analysis of the alpha 1b-AR has provided information about the potential mechanisms underlying the activation process of the receptor, i.e. its transition from the 'inactive' to the 'active' conformation.

Regulation of P-selectin glycoprotein ligand 1 (PSGL-1) interactions with selectins : role of the decameric repeats and of the cytoplasmic domain

SUMMARY BACKGROUND: P-selectin glycoprotein ligand 1 (PSGL-1) is a major selectin ligand, mediating leukocyte rolling along inflamed vascular wall. It is a mucin-like homodimer composed of a N-terminal domain which binds selectins, followed by 14-16 decameric repeats (DR), a transmembrane domain and a cytoplasmic tail, which may be involved in regulating leukocyte rolling and in generating intracellular signals, through its binding to moesin and Syk. P- and L-selectin binding is dependent on core-2 O-glycosylation and tyrosine sulfation of PSGL-1 N-terminus. However, a minor part of E-selectin-mediated rolling is dependent on N-terminal O-glycans; additional binding sites may thus be involved. In this project, we studied whether (1) PSGL-1 DR and (2) PSGL-1 cytoplasmic residues which bind moesin, were also involved in the regulation of selectin-dependent rolling. METHODS: Several mutated cDNAs were obtained: (1) PSGL-1 DR were either deleted, or substituted by platelet GPlba macroglycopeptide, (2) Ser-336, -348, Lys-337 and Arg-338 were mutated to alanine; moreover, truncation mutants retaining only 6 or 2 cytoplasmic residues were also generated. Transfected CHO expressing mutant PSGL-1 were tested for their ability to bind soluble selectin chimeras and to support selectin-dependent rolling under flow conditions. RESULTS: (1) Deletion of the DR had a dramatic effect on P- and L-selectin-dependent cell recruitment and rolling stability, which could only partially be compensated for, by GPlba substitution. In addition, we observed that DR create a binding site for E-selectin and thus support PSGL-1-dependent rolling. (2) Flow assays revealed that the moesin-binding site, in particular Ser-336, plays a crucial role in regulating the recruitment, velocity and rolling stability of PSGL-1-expressing cells on P- and L-selectin. CONCLUSIONS: Data presented here highlight the structure -function relationship of PSGL-1 DR. Moreover, they reveal a crucial role for the moesin-binding residues in regulating P-and L-selectin-dependent rolling. RÉSUMÉ CONTEXTE: PSGL-1 (P-selectin glycoprotein ligand 1) est un ligand majeur des sélectines permettant le roulement des leucocytes le long de la paroi vasculaire enflammée. C'est un homodimère de type mucine, composé d'un domaine N-terminal liant les sélectines, suivi de 14-16 répétitions décamèriques (RD), d'un domaine transmembranaire et d'une queue cytoplasmique qui pourrait être impliquée dans la régulation du roulement leucocytaire et la génération de signaux intracellulaires, via sa liaison à la moésine et à Syk. La liaison à la Pet à la L-sélectine dépend de la présentation par le N-terminus de PSGL-1 de O-glycans sur des structures core-2 et de tyrosines sulfatées. Cependant, une fraction mineure du roulement médié par la E-sélectine dépend des O-glycans N-terminaux; des sites de liaisons supplémentaires pourraient donc être impliqués. Dans ce projet, nous avons étudié si (1) les RD de PSGL-1 ainsi que (2) les résidus cytoplasmiques liant la moésine, étaient impliqués dans la régulation du roulement dépendant des sélectines. MÉTHODES: Plusieurs ADN codant des formes mutées de PSGL-1 ont été obtenus: (1) Les RD de PSGL-1 ont été soit ôtées, soit remplacées par le macroglycopeptide de la GPlba plaquettaire, (2) les Ser-336, -348, la Lys-337 et l'Arg-338 ont été mutées en alanine; par ailleurs, des mutants tronqués ne retenant plus que 6 ou 2 résidus cytoplasmiques ont également été générés. Des CHO transfectées exprimant PSGL-1 muté ont été testées pour leur capacité à lier des sélectines chimériques solubles et à soutenir un roulement dépendant des sélectines dans des conditions de flux. RÉSULTATS: (1) La perte des RD a eu un effet dramatique sur le recrutement cellulaire et la stabilité de roulement dépendant des P- et L-sélectine, qui n'a pu être que partiellement compensé par la substitution par la GPlba. De plus, nous avons observé que les RD forment un site de liaison pour la E-sélectine et soutiennent ainsi le roulement dépendant de PSGL-1. (2) Les tests de flux ont révélé que le site de liaison à la moésine, notamment la Ser-336, joue un rôle crucial dans la régulation du recrutement, de la vitesse et de la stabilité du roulement des cellules exprimant PSGL-1 sur les P- et L-sélectine. CONCLUSIONS; Les données présentées ici ont permis d'éclaircir la relation structure -fonction des RD de PSGL-1. Par ailleurs, elles révèlent un rôle crucial pour les résidus liant la moésine dans le roulement dépendant des P- et L-sélectine. RÉSUMÉ DESTINÉ À UN LARGE PUBLIC Pour accomplir ses fonctions, le sang circule sur un réseau de 96'000 kilomètres; ainsi, il approvisionne les cellules de l'organisme en énergie, il transporte diverses substances, il assure la défense contre les pathogènes et il participe à la régulation de la température corporelle. Le sang contient plusieurs types de cellules: la grande majorité sont les globules rouges, auxquels il faut ajouter les plaquettes (dont le rôle est de colmater les lésions vasculaires) et les globules blancs (leucocytes) qui, bien que présents en très faible quantité (moins de 0.01 %), jouent un rôle crucial en cas d'infection ou d'inflammation. Une attaque par un pathogène provoque plusieurs changements (rougeur, chaleur, gonflement, douleur), qui sont des manifestations de l'inflammation. Pour atteindre l'agent infectieux, des globules blancs spécialisés (les granulocytes) doivent quitter la circulation sanguine. Afin de faciliter leur capture, les vaisseaux sanguins vont exprimer des protéines telles que les sélectines, qui sont reconnues par une protéine leucocytaire appelée PSGL-1 (P-selectin glycoprotein ligand 7). L'interaction des sélectines avec PSGL-1 soutient le roulement du globule blanc le long de la paroi vasculaire, à une vitesse très inférieure à celle du flux sanguin. Ce roulement conduit à l'activation du globule blanc par des molécules de l'inflammation, permettant son adhésion ferme, puis son arrêt. Finalement, le granulocyte va migrer à travers la paroi du vaisseau pour atteindre et éliminer les causes de l'inflammation. L'adhésion est un processus intéressant à caractériser, car outre l'inflammation, il est également impliqué dans l'artériosclérose, l'infarctus, la métastatisation et la thrombose. Dans ce travail, nous nous sommes intéressés à définir les rôles des différents domaines de PSGL-1 dans la régulation de son interaction avec les sélectines. En effet, en plus de son extrémité extracellulaire de haute affinité pour les sélectines, PSGL-1 est composé de plusieurs séquences répétées hautement glycosylées et d'une courte région intracellulaire, dont les fonctions n'avaient pas été étudiées auparavant. En créant des formes mutées de PSGL-1, nous avons pu montrer qu'un roulement efficace des leucocytes nécessite la présence des régions répétitives et du domaine intracellulaire au complet.

Cation Transport Coupled to ATP Hydrolysis By the (Na, K)-ATPase : an integrated, animated model

An Adobe (R) animation is presented for use in undergraduate Biochemistry courses, illustrating the mechanism of Na+ and K+ translocation coupled to ATP hydrolysis by the (Na, K)-ATPase, a P-2c-type ATPase, or ATP-powered ion pump that actively translocates cations across plasma membranes. The enzyme is also known as an E-1/E-2-ATPase as it undergoes conformational changes between the E-1 and E-2 forms during the pumping cycle, altering the affinity and accessibility of the transmembrane ion-binding sites. The animation is based on Horisberger's scheme that incorporates the most recent significant findings to have improved our understanding of the (Na, K)-ATPase structure function relationship. The movements of the various domains within the (Na, K)-ATPase alpha-subunit illustrate the conformational changes that occur during Na+ and K+ translocation across the membrane and emphasize involvement of the actuator, nucleotide, and phosphorylation domains, that is, the "core engine" of the pump, with respect to ATP binding, cation transport, and ADP and P-i release.

N-terminal amino acids of bovine alpha interferons are relevant for the neutralization of their antiviral activity

The structure-function relationship of interferons (IFNs) has been studied by epitope mapping. Epitopes of bovine IFNs, however, are practically unknown, despite their importance in virus infections and in the maternal recognition of pregnancy. It has been shown that recombinant bovine (rBo)IFN-alphaC and rBoIFN-alpha1 differ only in 12 amino acids and that the F12 monoclonal antibody (mAb) binds to a linear sequence of residues 10 to 34. We show here that the antiviral activities of these two IFNs were neutralized by the F12 mAb to different extents using two tests. In residual activity tests the antiviral activity dropped by more than 99% with rBoIFN-alphaC and by 84% with rBoIFN-alpha1. In checkerboard antibody titrations, the F12 mAb titer was 12,000 with rBoIFN-alphaC and only 600 with rBoIFN-alpha1. Since these IFNs differ in their amino acid sequence at positions 11, 16 and 19 of the amino terminus, only these amino acids could account for the different neutralization titers, and they should participate in antibody binding. According to the three-dimensional structure described for human and murine IFNs, these amino acids are located in the alpha helix A; amino acids 16 and 19 of the bovine IFNs would be expected to be exposed and could bind to the antibody directly. The amino acid at position 11 forms a hydrogen bond in human IFNs-alpha and it is possible that, in bovine IFNs-alpha, the F12 mAb, binding near position 11, would disturb this hydrogen bond, resulting in the difference in the extent of neutralization observed.

Études Structurales par Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) du Site Actif du Ribozyme VS de Neurospora.

Nous étudions le ribozyme VS de Neurospora, en tant que système modèle, pour augmenter nos connaissances sur la relation entre la structure et la fonction chez les ARNs, ainsi que pour mieux comprendre le mécanisme de clivage de ce ribozyme. Il a été proposé précédemment que la boucle interne A730 dans la tige-boucle VI (SLVI) contient le site actif du ribozyme et lie un ou plusieurs ions métalliques qui pourraient participer au mécanisme réactionnel. Nous avons déterminé par spectroscopie RMN la structure de la tige-boucle SLVI contenant la boucle A730 afin d’éclaircir ce mécanisme. La structure obtenue est en accord avec les études biochimiques antérieures et présente un ou plusieurs sites de liaison au magnésium associé à la boucle interne. Suite à des études de cinétique et de mutagenèse, il a été proposé qu’une adénine localisée dans le site actif, A756, participe à la catalyse par acide/base générale. Des études de pH effectuées précédemment ont identifié un pKa catalytique (5.2-5.8) qui correspond probablement à l’équilibre de protonation du A756. À l’aide de méthodes utilisant le carbone-13, nous avons identifié un pKa modifié appartenant au A756, ce qui supporte le rôle de ce résidu dans la catalyse par acide/base générale. Les études structurales présentées ici aident donc à augmenter notre compréhension du mécanisme de clivage chez le ribozyme VS.

Directed evolution of human dihydrofolate reductase: towards a better understanding of binding at the active site

La dihydrofolate réductase humaine (DHFRh) est une enzyme essentielle à la prolifération cellulaire, ce qui en fait une cible de choix pour le traitement de différents cancers. À cet effet, plusieurs inhibiteurs spécifiques de la DHFRh, les antifolates, ont été mis au point : le méthotrexate (MTX) et le pemetrexed (PMTX) en sont de bons exemples. Malgré l’efficacité clinique certaine de ces antifolates, le développement de nouveaux traitements s’avère nécessaire afin de réduire les effets secondaires liés à leur utilisation. Enfin, dans l’optique d’orienter la synthèse de nouveaux composés inhibiteurs des DHFRh, une meilleure connaissance des interactions entre les antifolates et leur enzyme cible est primordiale. À l’aide de l’évolution dirigée, il a été possible d’identifier des mutants de la DHFRh pour lesquels l’affinité envers des antifolates cliniquement actifs se voyait modifiée. La mutagenèse dite ¬¬de saturation a été utilisée afin de générer des banques de mutants présentant une diversité génétique au niveau des résidus du site actif de l’enzyme d’intérêt. De plus, une nouvelle méthode de criblage a été mise au point, laquelle s’est avérée efficace pour départager les mutations ayant entrainé une résistance aux antifolates et/ou un maintient de l’activité enzymatique envers son substrat natif, soient les phénotypes d’activité. La méthode de criblage consiste dans un premier temps en une sélection bactérienne à haut débit, puis dans un second temps en un criblage sur plaques permettant d’identifier les meilleurs candidats. Plusieurs mutants actifs de la DHFRh, résistants aux antifolates, ont ainsi pu être identifiés et caractérisés lors d’études de cinétique enzymatique (kcat et IC50). Sur la base de ces résultats cinétiques, de la modélisation moléculaire et des données structurales de la littérature, une étude structure-activité a été effectuée. En regardant quelles mutations ont les effets les plus significatif sur la liaison, nous avons commencé à construire un carte moléculaire des contacts impliqués dans la liaison des ligands. Enfin, des connaissances supplémentaires sur les propriétés spécifiques de liaison ont put être acquises en variant l’inhibiteur testé, permettant ainsi une meilleure compréhension du phénomène de discrimination du ligand.

Mechanism of action of cyclic antimicrobial peptides

This PhD thesis is the result of the combination of experimental and computational techniques with the aim of understanding the mechanism of action of de novo cyclic decapeptides with high antimicrobial activity. By experimental techniques the influence of the replacement of the phenylalanine for tryptophan residue in their antimicrobial activity was tested and the stability in human serum was also analyzed, in order to evaluate their potential therapeutic application as antitumor agents. On the other hand, the interaction amongst the peptide BPC194 c(KKLKKFKKLQ), the best candidate from the whole library of cyclic peptides, and a model anionic membrane was simulated. The results showed a structure-function relationship derived from the stable conformation of the peptides involved in the membrane permeabilization. As a result, a rational design was performed being BPC490 the peptide with best antimicrobial activity compared with the best active peptide from the original library.

Cys mutants in functional regions of Sticholysin I clarify the participation of these residues in pore formation

Experimental evidence shows that the mechanism of pore formation by actinoporins is a multistep process, involving binding of the water-soluble monomer to the membrane and subsequent oligomerization on the membrane surface, leading to the formation of a functional pore. However, as for other eukaryotic pore-forming toxins, the molecular details of the mechanism of membrane insertion and oligomerization are not clear. In order to obtain further insight with regard to the structure-function relationship in sticholysins, we designed and produced three cysteine mutants of recombinant sticholysin I (rStI) in relevant functional regions for membrane interaction: StI E2C and StI F15C (in the N-terminal region) and StI R52C (in the membrane binding site). The conformational characterization derived from fluorescence and CD spectroscopic studies of StI E2C, StI F15C and StI R52C suggests that replacement of these residues by Cys in rStI did not noticeably change the conformation of the protein. The substitution by Cys of Arg(52) in the phosphocholine-binding site, provoked noticeable changes in rStI permeabilizing activity; however, the substitutions in the N-terminal region (Glu(2), Phe(15)) did not modify the toxin`s permeabilizing ability. The presence of a dimerized population stabilized by a disulfide bond in the StI E2C mutant showed higher pore-forming activity than when the protein is in the monomeric state, suggesting that sticholysins pre-ensembled at the N-terminal region could facilitate pore formation. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Paralyzing and myotoxic effects of a recombinant bothropstoxin-1 (BthTX-I) on mouse neuromuscular preparations

As a first step to investigate the structure-function relationship of bothropstoxin-1 (BthTX-1), a myotoxin from Bothrops jararacussu snake venom, Our group previously cloned a recombinant toxin (rBthTX-1) in Escherichia coli. The aim or this work was to characterize the biological activities of this rBthTX-1 (1.0 mu M) in both phrenic-diaphragm and extensor digitorum longus preparations in vitro, by means of myographic and morphologic techniques. Native BthTX-1 (1.0 mu M) was used as a standard. The influence of heparin (27.5 mu g/ml) upon the biological activities of both toxins was also investigated. rBthTX-1 had similar effects to the native toxin inducing blockage of both directly and indirectly evoked contractions in phrenic-diaphragm preparations, and muscle damage characterized by edema, round fibers, and cell areas devoid of myofibrils. Interestingly the paralyzing activity of rBthTX-1 was slightly more potent than the native toxin. Heparin prevented paralyzing and myotoxic effects of both the native and recombinant toxins. This work shows that rBthTX-1 was expressed in a fully active form, and presents a biological profile similar to the native toxin. (c) 2005 Elsevier GmbH All rights reserved.

Mutational analysis of Arabidopsis thaliana plant uncoupling mitochondrial protein

In this study, point mutations were introduced in plant uncoupling mitochondrial protein AtUCP1, a typical member of the plant uncoupling protein (UCP) gene subfamily, in amino acid residues Lys147, Arg155 and Tyr269, located inside the so-called UCP-signatures, and in two more residues, Cys28 and His83, specific for plant UCPs. The effects of amino acid replacements on AtUCP1 biochemical properties were examined using reconstituted proteoliposomes. Residue Arg155 appears to be crucial for AtUCP1 affinity to linoleic acid (LA) whereas His83 plays an important role in AtUCP1 transport activity. Residues Cys28, Lys147, and also Tyr269 are probably essential for correct protein function, as their substitutions affected either the AtUCP1 affinity to LA and its transport activity, or sensitivity to inhibitors (purine nucleotides). Interestingly, Cys28 substitution reduced ATP inhibitory effect on AtUCP1, while Tyr269Phe mutant exhibited 2.8-fold increase in sensitivity to ATP, in accordance with the reverse mutation Phe267Tyr of mammalian UCP1. (C) 2007 Elsevier B.V. All fights reserved.

Structural biology of membrane-acting peptides: Conformational plasticity of anticoccidial peptide PW2 probed by solution NMR

The bottleneck for the complete understanding of the structure-function relationship of flexible membrane-acting peptides is its dynamics. At the same time, not only the structure but also the dynamics are the key points for their mechanism of action. Our model is PW2, a TRP-rich, cationic peptide selected from phage display libraries that shows anticoccidial activity against Eimeria acervulina. In this manuscript we used a combination of several NMR techniques to tackle these difficulties. The structural features of the membrane-acting peptide PW2 was studied in several membrane mimetic environments: we compared the structural features of PW2 in SDS and DPC micelles, that were reported earlier, with the structure properties in different lipid vesicles and the peptide free in water. We were able to unify the structural information obtained in each of these systems. The structural constraints of the peptide free in water were fundamental for the understanding of plasticity necessary for the membrane interaction. Our data suggested that the WWR sequence is the region responsible for anchoring the peptide to the interfaces, and that this same region displays some degree of conformational order in solution. For PW2, we found that affinity is related to the aromatic region, by anchoring the peptide to the membrane, and specificity is related to the N- and C-termini, which are able to accommodate in the membrane due to its plasticity. (C) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Estudos estruturais com miotoxinas do tipo fosfolipases A2 homólogas do veneno de serpentes do gênero Bothrops: avanços no entendimento da relação estrutura-função

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)