The Role of Membrane Lipid Composition on Sarco(endo)plasmic Reticulum Calcium ATPase Function in Rat Soleus Muscle

Sarco(endo)plasmic reticulum calcium ATPase (SERCA) is a transmembrane protein whose function is regulated by its immediate lipid environment (annulus). The composition of the annulus is currently unknown or it’s susceptibility to a high saturated fat diet (HSFD). Furthermore it is uncertain if HSFD can protect SERCA from thermal stress. The purpose of the study was to determine SERCA annular lipid composition, resulting impact of a HSFD, and in turn, influence on SERCA activity with and without thermal stress. The major findings were annular lipids were shorter and more saturated compared to whole homogenate and HSFD had no effect on annular lipid composition or SERCA activity with and without thermal stress. Both average chain length and unsaturation index were positively correlated with SERCA activity with and without thermal stress. These findings suggest that annular lipid composition is different than whole homogenate and its composition appears to be related to SERCA function.

Structure-fonction de MARCH1, une E3 ubiquitine ligase régulant la présentation antigénique par le CMH II

Les molécules classiques du CMH de classe II sont responsables de la présentation de peptides exogènes par les cellules présentatrices d’antigène aux lymphocytes T CD4+. Cette présentation antigénique est essentielle à l’établissement d’une réponse immunitaire adaptative. Cependant, la reconnaissance d’auto-antigènes ainsi que l’élimination des cellules du Soi sont des problèmes à l’origine de nombreuses maladies auto-immunes. Notamment, le diabète et la sclérose en plaque. D’éventuels traitements de ces maladies pourraient impliquer la manipulation de la présentation antigénique chez les cellules dont la reconnaissance et l’élimination engendrent ces maladies. Il est donc primordial d’approfondir nos connaissances en ce qui concerne les mécanismes de régulation de la présentation antigénique. La présentation antigénique est régulée tant au niveau transcriptionnel que post-traductionnel. Au niveau post-traductionnel, diverses cytokines affectent le processus. Parmi celles-ci, l’IL-10, une cytokine anti-inflammatoire, cause une rétention intracellulaire des molécules du CMH II. Son mécanisme d’action consiste en l’ubiquitination de la queue cytoplasmique de la chaîne bêta des molécules de CMH II. Cette modification protéique est effectuée par MARCH1, une E3 ubiquitine ligase dont l’expression est restreinte aux organes lymphoïdes secondaires. Jusqu’à tout récemment, il y avait très peu de connaissance concernant la structure et les cibles de MARCH1. Considérant son impact majeur sur la présentation antigénique, nous nous sommes intéressé à la structure-fonction de cette molécule afin de mieux caractériser sa régulation ainsi que les diverses conditions nécessaires à son fonctionnement. Dans un premier article, nous avons étudié la régulation de l’expression de MARCH1 au niveau protéique. Nos résultats ont révélé l’autorégulation de la molécule par formation de dimères et son autoubiquitination. Nous avons également démontré l’importance des domaines transmembranaires de MARCH1 dans la formation de dimères et l’interaction avec le CMH II. Dans un second article, nous avons investigué l’importance de la localisation de MARCH1 pour sa fonction. Les résultats obtenus montrent la fonctionnalité des motifs de localisation de la portion C-terminale de MARCH1 ainsi que la présence d’autres éléments de localisation dans la portion N-terminale de la protéine. Les nombreux mutants utilisés pour ce projet nous ont permis d’identifier un motif ‘‘VQNC’’, situé dans la portion cytoplasmique C-terminale de MARCH1, dont la valine est requise au fonctionnement optimal de la molécule. En effet, la mutation de la valine engendre une diminution de la fonction de la molécule et des expériences de BRET ont démontré une modification de l’orientation spatiale des queues cytoplasmiques. De plus, une recherche d’homologie de séquence a révélé la présence de ce même motif dans d’autres ubiquitines ligases, dont Parkin. Parkin est fortement exprimée dans le cerveau et agirait, entre autre, sur la dégradation des agrégats protéiques. La dysfonction de Parkin cause l’accumulation de ces agrégats, nommés corps de Lewy, qui entraînent des déficiences au niveau du fonctionnement neural observé chez les patients atteints de la maladie de Parkinson. La valine comprise dans le motif ‘’VQNC’’ a d’ailleurs été identifiée comme étant mutée au sein d’une famille où cette maladie est génétiquement transmise. Nous croyons que l’importance de ce motif ne se restreint pas à MARCH1, mais serait généralisée à d’autres E3 ligases. Ce projet de recherche a permis de caractériser des mécanismes de régulation de MARCH1 ainsi que de découvrir divers éléments structuraux requis à sa fonction. Nos travaux ont permis de mieux comprendre les mécanismes de contrôle de la présentation antigénique par les molécules de CMH II.

Structural aspects of the ribosome evolution and function

Les résultats ont été obtenus avec le logiciel "Insight-2" de Accelris (San Diego, CA)

Étude structure/fonction des cotransporteurs Na+/glucose

Cette thèse porte sur l’étude de la relation entre la structure et la fonction chez les cotransporteurs Na+/glucose (SGLTs). Les SGLTs sont des protéines membranaires qui se servent du gradient électrochimique transmembranaire du Na+ afin d’accumuler leurs substrats dans la cellule. Une mise en contexte présentera d’abord un bref résumé des connaissances actuelles dans le domaine, suivi par un survol des différentes techniques expérimentales utilisées dans le cadre de mes travaux. Ces travaux peuvent être divisés en trois projets. Un premier projet a porté sur les bases structurelles de la perméation de l’eau au travers des SGLTs. En utilisant à la fois des techniques de modélisation moléculaire, mais aussi la volumétrie en voltage imposé, nous avons identifié les bases structurelles de cette perméation. Ainsi, nous avons pu identifier in silico la présence d’une voie de perméation passive à l’eau traversant le cotransporteur, pour ensuite corroborer ces résultats à l’aide de mesures faites sur le cotransporteur Na/glucose humain (hSGLT1) exprimé dans les ovocytes. Un second projet a permis d’élucider certaines caractéristiques structurelles de hSGLT1 de par l’utilisation de la dipicrylamine (DPA), un accepteur de fluorescence dont la répartition dans la membrane lipidique dépend du potentiel membranaire. L’utilisation de la DPA, conjuguée aux techniques de fluorescence en voltage imposé et de FRET (fluorescence resonance energy transfer), a permis de démontrer la position extracellulaire d’une partie de la boucle 12-13 et le fait que hSGLT1 forme des dimères dont les sous-unités sont unies par un pont disulfure. Un dernier projet a eu pour but de caractériser les courants stationnaires et pré-stationaires d’un membre de la famille des SGLTs, soit le cotransporteur Na+/myo-inositol humain hSMIT2 afin de proposer un modèle cinétique qui décrit son fonctionnement. Nous avons démontré que la phlorizine inhibe mal les courants préstationnaires suite à une dépolarisation, et la présence de courants de fuite qui varient en fonction du temps, du potentiel membranaire et des substrats. Un algorithme de recuit simulé a été mis au point afin de permettre la détermination objective de la connectivité et des différents paramètres associés à la modélisation cinétique.

Étude de la Structure-Fonction du Prosegment et du domaine CHRD de la PCSK9 humaine

L’excès des particules de LDL dans le sang constitue un facteur de risque majeur dans le développement des maladies cardiovasculaires. Dans ce contexte, nous étudions la protéine PCSK9 qui favorise directement ce facteur de risque. Cette protéine est sécrétée en majorité au niveau du foie par les hépatocytes et possède la capacité de reconnaître et de lier le récepteur LDLR. Le rôle premier de ce dernier est d’éliminer les particules de LDL circulant dans le plasma. Ainsi, lorsque la PCSK9 forme un complexe avec le LDLR et l’amène à la dégradation, la conséquence directe de la diminution des ces récepteurs est une accumulation malsaine des particules LDL dans le plasma. L’importante implication de la PCSK9 dans le métabolisme des lipides nous a menés vers des recherches de caractérisation de cette protéine ainsi que dans l’étude de son mode d’action. La PCSK9 est composée de trois domaines et notre intérêt s’est porté sur l’étude structure-fonction des deux domaines dont la fonction était inconnue, soit le domaine en N-terminal : le prodomaine et de son domaine en C-terminal : CHRD. Le premier article présenté dans cette thèse révèle l’importance d’une région acide (acide aminés 33-58) régulatrice de l’activité de la PCSK9 localisée en N-terminal du prodomaine ainsi que l’effet du pH acide, équivalent à celui des endosomes tardifs, qui accroît la capacité de la PCSK9 à induire la dégradation du LDLR. Le deuxième article dissèque davantage la structure de la PCSK9 et met en lumière la différence des prérequis structurels de la région ‘’Hinge’’ ainsi que du module M2, composant du domaine CHRD, dans la voie intracellulaire et la voie extracellulaire d’activité de la PCSK9. La mutation R434W localisée dans la région ‘’Hinge’’ résulte dans une inhibition totale de l’activité intracellulaire de la PCSK9 tandis que son activité extracellulaire est réduite à ~70%. Contrairement, la perte du module M2 du domaine CHRD est bien tolérée par la PCSK9 lors de son activité intracellulaire mais totalement inhibitrice pour son activité extracellulaire. Le troisième article se distingue en présentant une nouvelle stratégie d’inhibition de l’activité de la PCSK9 en utilisant une chimère composée de la fraction Fc de l’immunoglobuline IgG1 humaine couplée avec le prodomaine de la PCSK9. La protéine fusion Fcpro lie directement la PCSK9, crée un encombrement structurel qui résulte dans une régulation négative l’activité de la PCSK9. En résumé, nous présentons dans cette thèse, trois manuscrits qui apportent une contribution à la connaissance des composantes structurelles de la PCSK9 et leur implication dans le rôle de la protéine en tant que régulateur négatif du LDLR.

Phylogeny, function, and evolution of the cupins, a structurally conserved, functionally diverse superfamily of proteins

The cupin superfamily is a group of functionally diverse proteins that are found in all three kingdoms of life, Archaea, Eubacteria, and Eukaryota. These proteins have a characteristic signature domain comprising two histidine- containing motifs separated by an intermotif region of variable length. This domain consists of six beta strands within a conserved beta barrel structure. Most cupins, such as microbial phosphomannose isomerases (PMIs), AraC- type transcriptional regulators, and cereal oxalate oxidases (OXOs), contain only a single domain, whereas others, such as seed storage proteins and oxalate decarboxylases (OXDCs), are bi-cupins with two pairs of motifs. Although some cupins have known functions and have been characterized at the biochemical level, the majority are known only from gene cloning or sequencing projects. In this study, phylogenetic analyses were conducted on the conserved domain to investigate the evolution and structure/function relationships of cupins, with an emphasis on single- domain plant germin-like proteins (GLPs). An unrooted phylogeny of cupins from a wide spectrum of evolutionary lineages identified three main clusters, microbial PMIs, OXDCs, and plant GLPs. The sister group to the plant GLPs in the global analysis was then used to root a phylogeny of all available plant GLPs. The resulting phylogeny contained three main clades, classifying the GLPs into distinct subfamilies. It is suggested that these subfamilies correlate with functional categories, one of which contains the bifunctional barley germin that has both OXO and superoxide dismutase (SOD) activity. It is proposed that GLPs function primarily as SODs, enzymes that protect plants from the effects of oxidative stress. Closer inspection of the DNA sequence encoding the intermotif region in plant GLPs showed global conservation of thymine in the second codon position, a character associated with hydrophobic residues. Since many of these proteins are multimeric and enzymatically inactive in their monomeric state, this conservation of hydrophobicity is thought to be associated with the need to maintain the various monomer- monomer interactions. The type of structure-based predictive analysis presented in this paper is an important approach for understanding gene function and evolution in an era when genomes from a wide range of organisms are being sequenced at a rapid rate.

Influence of disaccharide structure on prebiotic selectivity in vitro

To obtain structure-function information of a range of carbohydrates, which are available only in very small quantities, an in vitro fermentation method using 7 mg of carbohydrate, 0.7 mL of basal medium, and 1% (w/v) of fecal bacteria was validated against a pH-controlled batch culture with 150 mL of basal medium and 1.5g of test carbohydrate. This method was used to determine the influence of different glycosidic linkages and monosaccharide compositions of disaccharides on the selectivity of microbial fermentation. A prebiotic index (PI) was calculated for each disaccharide. Generally, disaccharides with linkages of 1-2, 1-4, and 1-6 generated a high PI score, with kojibiose and sophorose showing the greatest values (21.62 and 18.63, respectively). Apart from 6 alpha-mannobiose, mannose-containing disaccharicles gave a low PI due to low numbers of bifidobacteria and lactobacilli and an increase in bacteroides. The structure-function information obtained in this study may lead to a predictive understanding of how specific structures are fermented by the human gut microflora.

Automated tertiary structure prediction with accurate local model quality assessment using the IntFOLD-TS method

The IntFOLD-TS method was developed according to the guiding principle that the model quality assessment would be the most critical stage for our template based modelling pipeline. Thus, the IntFOLD-TS method firstly generates numerous alternative models, using in-house versions of several different sequence-structure alignment methods, which are then ranked in terms of global quality using our top performing quality assessment method – ModFOLDclust2. In addition to the predicted global quality scores, the predictions of local errors are also provided in the resulting coordinate files, using scores that represent the predicted deviation of each residue in the model from the equivalent residue in the native structure. The IntFOLD-TS method was found to generate high quality 3D models for many of the CASP9 targets, whilst also providing highly accurate predictions of their per-residue errors. This important information may help to make the 3D models that are produced by the IntFOLD-TS method more useful for guiding future experimental work

Benchmarking secondary structure prediction for fold recognition

If secondary structure predictions are to be incorporated into fold recognition methods, an assessment of the effect of specific types of errors in predicted secondary structures on the sensitivity of fold recognition should be carried out. Here, we present a systematic comparison of different secondary structure prediction methods by measuring frequencies of specific types of error. We carry out an evaluation of the effect of specific types of error on secondary structure element alignment (SSEA), a baseline fold recognition method. The results of this evaluation indicate that missing out whole helix or strand elements, or predicting the wrong type of element, is more detrimental than predicting the wrong lengths of elements or overpredicting helix or strand. We also suggest that SSEA scoring is an effective method for assessing accuracy of secondary structure prediction and perhaps may also provide a more appropriate assessment of the “usefulness” and quality of predicted secondary structure, if secondary structure alignments are to be used in fold recognition.

Insights into the role of oligomeric state on the biological activities of crotoxin: crystal structure of a tetrameric phospholipase A(2) formed by two isoforms of crotoxin B from Cratalus durissus terrificus venom

Crotoxin B (CB or Cdt PLA(2)) is a basic Asp49-PLA(2) found in the venom of Crotalus durissus terrificus and it is one of the subunits that constitute the crotoxin (Cro). This heterodimeric toxin, main component of the C. d. terrificus venom, is completed by an acidic, nontoxic, and nonenzymatic component (crotoxin A, CA or crotapotin), and it is related to important envenomation effects such as neurological disorders, myotoxicity, and renal failure. Although Cro has been crystallized since 1938, no crystal structure of this toxin or its subunits is currently available. In this work, the authors present the crystal structure of novel tetrameric complex formed by two dimers of crotoxin B isoforms (CB1 and CB2). The results suggest that these assemblies are stable in solution and show that Ser1 and Glu92 of CB1 and CB2, respectively, play an important role in the oligomerization. The tetrameric and dimeric conformations resulting from the association of the isoforms may increase the neurotoxicity of the toxin CB by the creation of new binding sites, which could improve the affinity of the molecular complexes to the presynaptic membrane.

Structural basis for branching-enzyme activity of glycoside hydrolase family 57: Structure and stability studies of a novel branching enzyme from the hyperthermophilic archaeon Thermococcus Kodakaraensis KOD1

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Effect of bound nucleon internal structure change on nuclear structure functions

Effect of bound nucleon internal structure change on nuclear structure functions is investigated based on local quark-hadron duality. The bound nucleon structure functions calculated for charged-lepton and (anti)neutrino scattering are all enhanced in symmetric nuclear matter at large Bjorken-x (x greater than or similar to 0.85) relative to those in a free nucleon. This implies that a part of the enhancement observed in the nuclear structure function F-2 (in the resonance region) at large Bjorken-x (the EMC effect) is due to the effect of the bound nucleon internal structure change. However, the x dependence for the charged-lepton and (anti)neutrino scattering is different. The former (latter) is enhanced (quenched) in the region 0.8 less than or similar to x less than or similar to 0.9 (0.7 less than or similar to x less than or similar to 0.85) due to the difference of the contribution from axial vector forrn factor. Because of these differences charge symmetry breaking in parton distributions will be enhanced in nuclei. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

The small x behavior of the gluon strucutre function from total cross-sections

Within a QCD-based eikonal model with a dynamical infrared gluon mass scale we discuss how the small x behavior of the gluon distribution function at moderate Q(2) is directly related to the rise of total hadronic cross-sections. In this model the rise of total cross-sections is driven by gluon-gluon semihard scattering processes, where the behavior of the small x gluon distribtuion function exhibits the power law xg(x, Q(2)) = h(Q(2))x(-epsilon). Assuming that the Q(2) scale is proportional to the dynamical gluon mass one, we show that the values of h(Q(2)) obtained in this model are compatible with an earlier result based on a specific nonperturbative Pomeron model. We discuss the implications of this picture for the behavior of input valence-like gluon distributions at low resolution scales.

Quark sea structure functions of the nucleon in a statistical model

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)