Medicinal chemistry : chemistry, biochemistry, therapeutic and pharmacological action of natural and synthetic drugs.

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Stabilization of troponin I for applications in clinical chemistry and forensic medicine. Cardiac troponin I: A time of death marker

Cardiac troponin I (cTnI) is one of the most useful serum marker test for the determination of myocardial infarction (MI). The first commercial assay of cTnI was released for medical use in the United States and Europe in 1995. It is useful in determining if the source of chest pains, whose etiology may be unknown, is cardiac related. Cardiac TnI is released into the bloodstream following myocardial necrosis (cardiac cell death) as a result of an infarct (heart attack). In this research project the utility of cardiac troponin I as a potential marker for the determination of time of death is investigated. The approach of this research is not to investigate cTnI degradation in serum/plasma, but to investigate the proteolytic breakdown of this protein in heart tissue postmortem. If our hypothesis is correct, cTnI might show a distinctive temporal degradation profile after death. This temporal profile may have potential as a time of death marker in forensic medicine. The field of time of death markers has lagged behind the great advances in technology since the late 1850's. Today medical examiners are using rudimentary time of death markers that offer limited reliability in the medico-legal arena. Cardiac TnI must be stabilized in order to avoid further degradation by proteases in the extraction process. Chemically derivatized magnetic microparticles were covalently linked to anti-cTnI monoclonal antibodies. A charge capture approach was also used to eliminate the antibody from the magnetic microparticles given the negative charge on the microparticles. The magnetic microparticles were used to extract cTnI from heart tissue homogenate for further bio-analysis. Cardiac TnI was eluted from the beads with a buffer and analyzed. This technique exploits banding pattern on sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis (SDS-PAGE) followed by a western blot transfer to polyvinylidene fluoride (PVDF) paper for probing with anti-cTnI monoclonal antibodies. Bovine hearts were used as a model to establish the relationship of time of death and concentration/band-pattern given its homology to human cardiac TnI. The final concept feasibility was tested with human heart samples from cadavers with known time of death. ^

Identification of Ligands for the Tau Exon 10 Splicing Regulatory Element RNA Using Dynamic Combinatorial Chemistry

We describe the use of dynamic combinatorial chemistry (DCC) to identify ligands for the stem-loop structure located at the exon 10-5'-intron junction of Tau pre-mRNA, which is involved in the onset of several tauopathies including frontotemporal dementia with Parkinsonism linked to chromosome 17 (FTDP-17). A series of ligands that combine the small aminoglycoside neamine and heteroaromatic moieties (azaquinolone and two acridines) have been identified by using DCC. These compounds effectively bind the stem-loop RNA target (the concentration required for 50% RNA response (EC(50)): 2-58 μM), as determined by fluorescence titration experiments. Importantly, most of them are able to stabilize both the wild-type and the +3 and +14 mutated sequences associated with the development of FTDP-17 without producing a significant change in the overall structure of the RNA (as analyzed by circular dichroism (CD) spectroscopy), which is a key factor for recognition by the splicing regulatory machinery. A good correlation has been found between the affinity of the ligands for the target and their ability to stabilize the RNA secondary structure.

Determination of signature volatile odor chemicals emanating from novel biological specimens by non-invasive analytical techniques for the potential use in forensic identifications

Human scent, or the volatile organic compounds (VOCs) produced by an individual, has been recognized as a biometric measurement because of the distinct variations in both the presence and abundance of these VOCs between individuals. In forensic science, human scent has been used as a form of associative evidence by linking a suspect to a scene/object through the use of human scent discriminating canines. The scent most often collected and used with these specially trained canines is from the hands because a majority of the evidence collected is likely to have been handled by the suspect. However, the scents from other biological specimens, especially those that are likely to be present at scenes of violent crimes, have yet to be explored. Hair, fingernails and saliva are examples of these types of specimens. ^ In this work, a headspace solid phase microextraction gas chromatography-mass spectrometry (HS-SPME-GC-MS) technique was used for the identification of VOCs from hand odor, hair, fingernails and saliva. Sixty individuals were sampled and the profiles of the extracted VOCs were evaluated to assess whether they could be used for distinguishing individuals. Preliminary analysis of the biological specimens collected from an individual (intra-subject) showed that, though these materials have some VOCs in common, their overall chemical profile is different for each specimen type. Pair-wise comparisons, using Spearman Rank correlations, were made between the chemical profiles obtained from each subject, per a specimen type. Greater than 98.8% of the collected samples were distinguished from the subjects for all of the specimen types, demonstrating that these specimens can be used for distinguishing individuals. ^ Additionally, field trials were performed to determine the utility of these specimens as scent sources for human scent discriminating canines. Three trials were conducted to evaluate hair, fingernails and saliva in comparison to hand odor, which was considered the standard source of human odor. It was revealed that canines perform similarly to these alternative human scent sources as they do to hand odor implying that, though there are differences in the chemical profiles released by these specimens, they can still be used for the discrimination of individuals by trained canines.^

A safety catch linker for Fmoc-based assembly of constrained cyclic peptides

A new safety-catch linker for Fmoc solid-phase peptide synthesis of cyclic peptides is reported. The linear precursors were assembled on a tert-butyl protected catechol derivative using optimized conditions for Fmoc-removal. After activation of the linker using TFA, neutralization of the N-terminal amine induced cyclization with concomitant cleavage from the resin yielding the cyclic peptides in DMF solution. Several constrained cyclic peptides were synthesized in excellent yields and purities. Copyright (c) 2005 European Peptide Society and John Wiley & Sons, Ltd.

Improved estimation of postmortem interval with Cardiac Troponin T and improved analytical methods

Accurate knowledge of the time since death, or postmortem interval (PMI), has enormous legal, criminological, and psychological impact. In this study, an investigation was made to determine whether the relationship between the degradation of the human cardiac structure protein Cardiac Troponin T and PMI could be used as an indicator of time since death, thus providing a rapid, high resolution, sensitive, and automated methodology for the determination of PMI. ^ The use of Cardiac Troponin T (cTnT), a protein found in heart tissue, as a selective marker for cardiac muscle damage has shown great promise in the determination of PMI. An optimized conventional immunoassay method was developed to quantify intact and fragmented cTnT. A small sample of cardiac tissue, which is less affected than other tissues by external factors, was taken, homogenized, extracted with magnetic microparticles, separated by SDS-PAGE, and visualized with Western blot by probing with monoclonal antibody against cTnT. This step was followed by labeling and available scanners. This conventional immunoassay provides a proper detection and quantitation of cTnT protein in cardiac tissue as a complex matrix; however, this method does not provide the analyst with immediate results. Therefore, a competitive separation method using capillary electrophoresis with laser-induced fluorescence (CE-LIF) was developed to study the interaction between human cTnT protein and monoclonal anti-TroponinT antibody. ^ Analysis of the results revealed a linear relationship between the percent of degraded cTnT and the log of the PMI, indicating that intact cTnT could be detected in human heart tissue up to 10 days postmortem at room temperature and beyond two weeks at 4C. The data presented demonstrates that this technique can provide an extended time range during which PMI can be more accurately estimated as compared to currently used methods. The data demonstrates that this technique represents a major advance in time of death determination through a fast and reliable, semi-quantitative measurement of a biochemical marker from an organ protected from outside factors. ^

Multimode Analysis of Nanoscale Biomolecular Interactions

Biomolecular interactions, including protein-protein, protein-DNA, and protein-ligand interactions, are of special importance in all biological systems. These interactions may occer during the loading of biomolecules to interfaces, the translocation of biomolecules through transmembrane protein pores, and the movement of biomolecules in a crowded intracellular environment. The molecular interaction of a protein with its binding partners is crucial in fundamental biological processes such as electron transfer, intracellular signal transmission and regulation, neuroprotective mechanisms, and regulation of DNA topology. In this dissertation, a customized surface plasmon resonance (SPR) has been optimized and new theoretical and label free experimental methods with related analytical calculations have been developed for the analysis of biomolecular interactions. Human neuroglobin (hNgb) and cytochrome c from equine heart (Cyt c) proteins have been used to optimize the customized SPR instrument. The obtained Kd value (~13 µM), from SPR results, for Cyt c-hNgb molecular interactions is in general agreement with a previously published result. The SPR results also confirmed no significant impact of the internal disulfide bridge between Cys 46 and Cys 55 on hNgb binding to Cyt c. Using SPR, E. coli topoisomerase I enzyme turnover during plasmid DNA relaxation was found to be enhanced in the presence of Mg2+. In addition, a new theoretical approach of analyzing biphasic SPR data has been introduced based on analytical solutions of the biphasic rate equations. In order to develop a new label free method to quantitatively study protein-protein interactions, quartz nanopipettes were chemically modified. The derived Kd (~20 µM) value for the Cyt c-hNgb complex formations matched very well with SPR measurements (Kd ~16 µM). The finite element numerical simulation results were similar to the nanopipette experimental results. These results demonstrate that nanopipettes can potentially be used as a new class of a label-free analytical method to quantitatively characterize protein-protein interactions in attoliter sensing volumes, based on a charge sensing mechanism. Moreover, the molecule-based selective nature of hydrophobic and nanometer sized carbon nanotube (CNT) pores was observed. This result might be helpful to understand the selective nature of cellular transport through transmembrane protein pores.

Cellular hypomethylation is associated with impaired nitric oxide production by cultured human endothelial cells

Hyperhomocysteinemia (HHcy) is a risk factor for vascular disease, but the underlying mechanisms remain incompletely defined. Reduced bioavailability of nitric oxide (NO) is a principal manifestation of underlying endothelial dysfunction, which is an initial event in vascular disease. Inhibition of cellular methylation reactions by S-adenosylhomocysteine (AdoHcy), which accumulates during HHcy, has been suggested to contribute to vascular dysfunction. However, thus far, the effect of intracellular AdoHcy accumulation on NO bioavailability has not yet been fully substantiated by experimental evidence. The present study was carried out to evaluate whether disturbances in cellular methylation status affect NO production by cultured human endothelial cells. Here, we show that a hypomethylating environment, induced by the accumulation of AdoHcy, impairs NO production. Consistent with this finding, we observed decreased eNOS expression and activity, but, by contrast, enhanced NOS3 transcription. Taken together, our data support the existence of regulatory post-transcriptional mechanisms modulated by cellular methylation potential leading to impaired NO production by cultured human endothelial cells. As such, our conclusions may have implications for the HHcy-mediated reductions in NO bioavailability and endothelial dysfunction.

Utilizando o monitoramento ambiental para o ensino da química: pedagogia de projeto

The article shows how the monitoring of the water quality can be utilized in an inter-disciplinary pedagogical project involving Analytical Chemistry, Biochemistry and Microbiology making the apprenticeship more dynamic and consolidating the link between the student and the community.

Sínteses química e enzimática de peptídeos: princípios básicos e aplicações

This review begins with a brief discussion of the biological importance and chemical features of peptides. A description of the existing synthetic methods follows with emphasis on the basic aspects of the chemical and enzymatic syntheses. Techniques used to purify and characterize the synthesized peptides are also discussed. Finally, a few applications of the final products in chemistry, biochemistry, immunology and medicine are presented, such as identification and quantification of naturally occurring peptides, inspection of structure-activity relationships, therapeutics, development and/or improvement of analytical techniques and search for new vaccines.

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.

Mutagénèse semi-aléatoire au site actif de la DHFR humaine : création et caractérisation de variantes hautement résistantes au MTX.

La dihydrofolate réductase humaine (DHFRh) est une enzyme essentielle à la prolifération cellulaire. Elle réduit le dihydrofolate en tétrahydrofolate, un co-facteur impliqué dans la biosynthèse des purines et du thymidylate. La DHFRh est une cible de choix pour des agents de chimiothérapie comme le méthotrexate (MTX), inhibant spécifiquement l’enzyme ce qui mène à un arrêt de la prolifération et ultimement à la mort cellulaire. Le MTX est utilisé pour le traitement de plusieurs maladies prolifératives, incluant le cancer. La grande utilisation du MTX dans le milieu clinique a mené au développement de mécanismes de résistance, qui réduisent l’efficacité de traitement. La présente étude se penche sur l’un des mécanismes de résistance, soit des mutations dans la DHFRh qui réduisent son affinité pour le MTX, dans le but de mieux comprendre les éléments moléculaires requis pour la reconnaissance de l’inhibiteur au site actif de l’enzyme. En parallèle, nous visons à identifier des variantes plus résistantes au MTX pour leur utilisation en tant que marqueurs de sélection en culture cellulaire pour des systèmes particuliers, tel que la culture de cellules hématopoïétiques souches (CHS), qui offrent des possibilités intéressantes dans le domaine de la thérapie cellulaire. Pour étudier le rôle des différentes régions du site actif, et pour vérifier la présence d’une corrélation entre des mutations à ces régions et une augmentation de la résistance au MTX, une stratégie combinatoire a été dévelopée pour la création de plusieurs banques de variantes à des résidus du site actif à proximité du MTX lié. Les banques ont été sélectionnées in vivo dans un système bactérien en utilisant des milieux de croissance contenant des hautes concentrations de MTX. La banque DHFRh 31/34/35 généra un nombre considérable de variantes combinatoires de la DHFRh hautement résistantes au MTX. Les variantes les plus intéressantes ont été testées pour leur potentiel en tant que marqueur de sélection dans plusieurs lignées cellulaires, dont les cellules hématopoïétiques transduites. Une protection complète contre les effets cytotoxiques du MTX a été observée chez ces cellules suite à leur infection avec les variantes combinatoires. Pour mieux comprendre les causes moléculaires reliées à la résistance au MTX, des études de structure tridimensionnelle de variantes liées au MTX ont été entreprises. La résolution de la structure de la double variante F31R/Q35E lié au MTX a révélé que le phénotype de résistance était attribuable à d’importantes différences entre le site actif de la double variante et de l’enzyme native, possiblement dû à un phénomème dynamique. Une compréhension plus générale de la reconnaissance et la résistance aux antifolates a été réalisée en comparant des séquences et des structures de variantes de la DHFR résistants aux antifolates et provenant de différentes espèces. En somme, ces travaux apportent de nouveaux éléments pour la comprehension des intéractions importantes entre une enzyme et un ligand, pouvant aider au développement de nouveaux antifolates plus efficaces pour le traitement de diverses maladies. De plus, ces travaux ont généré de nouveaux gènes de résistance pouvant être utilisés en tant que marqueurs de sélection en biologie cellulaire.

Le motif d’empaquetage le long du sillon: une nouvelle entité structurale récurrente dans les ARN ribosomiques

La plupart des molécules d’ARN doivent se replier en structure tertiaire complexe afin d’accomplir leurs fonctions biologiques. Cependant, les déterminants d’une chaîne de polynucléotides qui sont nécessaires à son repliement et à ses interactions avec d’autres éléments sont essentiellement inconnus. L’établissement des relations structure-fonction dans les grandes molécules d’ARN passe inévitablement par l’analyse de chaque élément de leur structure de façon individuelle et en contexte avec d’autres éléments. À l’image d’une construction d’immeuble, une structure d’ARN est composée d’unités répétitives assemblées de façon spécifique. Les motifs récurrents d’ARN sont des arrangements de nucléotides retrouvés à différents endroits d’une structure tertiaire et possèdent des conformations identiques ou très similaires. Ainsi, une des étapes nécessaires à la compréhension de la structure et de la fonction des molécules d’ARN consiste à identifier de façon systématique les motifs récurrents et d’en effectuer une analyse comparative afin d’établir la séquence consensus. L’analyse de tous les cas d’empaquetage de doubles hélices dans la structure du ribosome a permis l’identification d’un nouvel arrangement nommé motif d’empaquetage le long du sillon (AGPM) (along-groove packing motif). Ce motif est retrouvé à 14 endroits dans la structure du ribosome de même qu’entre l’ARN ribosomique 23S et les molécules d’ARN de transfert liées aux sites ribosomaux P et E. Le motif se forme par l’empaquetage de deux doubles hélices via leur sillon mineur. Le squelette sucre-phosphate d’une hélice voyage le long du sillon mineur de l’autre hélice et vice versa. Dans chacune des hélices, la région de contact comprend quatre paires de bases. L’empaquetage le plus serré est retrouvé au centre de l’arrangement où l’on retrouve souvent une paire de bases GU dans une hélice interagissant avec une paire de bases Watson-Crick (WC) dans l’autre hélice. Même si la présence des paires de bases centrales GU versus WC au centre du motif augmente sa stabilité, d’autres alternatives existent pour différents représentants du motif. L’analyse comparative de trois librairies combinatoires de gènes d’AGPM, où les paires de bases centrales ont été variées de manière complètement aléatoire, a montré que le contexte structural influence l’étendue de la variabilité des séquences de nucléotides formant les paires de bases centrales. Le fait que l’identité des paires de bases centrales puisse varier suggérait la présence d’autres déterminants responsables au maintien de l’intégrité du motif. L’analyse de tous les contacts entre les hélices a révélé qu’en dehors du centre du motif, les interactions entre les squelettes sucre-phosphate s’effectuent via trois contacts ribose-ribose. Pour chacun de ces contacts, les riboses des nucléotides qui interagissent ensemble doivent adopter des positions particulières afin d’éviter qu’ils entrent en collision. Nous montrons que la position de ces riboses est modulée par des conformations spécifiques des paires de bases auxquelles ils appartiennent. Finalement, un autre motif récurrent identifié à l’intérieur même de la structure de trois cas d’AGPM a été nommé « adenosine-wedge ». Son analyse a révélé que ce dernier est lui-même composé d’un autre arrangement, nommé motif triangle-NAG (NAG-triangle). Nous montrons que le motif « adenosine-wedge » représente un arrangement complexe d’ARN composé de quatre éléments répétitifs, c’est-à-dire des motifs AGPM, « hook-turn », « A-minor » et triangle-NAG. Ceci illustre clairement l’arrangement hiérarchique des structures d’ARN qui peut aussi être observé pour d’autres motifs d’ARN. D’un point de vue plus global, mes résultats enrichissent notre compréhension générale du rôle des différents types d’interactions tertiaires dans la formation des molécules d’ARN complexes.

Impacts fonctionnels des polymorphismes dans les promoteurs des gènes de l’apoptose

La susceptibilité ou la résistance aux cancers peuvent impliquer plusieurs mécanismes, incluant l’apoptose, la croissance cellulaire et la différenciation, la réplication et la réparation de l’ADN. Mon projet porte plus particulièrement sur l’apoptose. Une dérégulation dans les voies d’activation de l’apoptose entraîne une accumulation de cellules déréglées, créant ainsi un environnement propice à l’instabilité génétique et au développement du cancer. Comme l’apoptose est une voie biologique hautement régulée, nous proposons l’hypothèse que des polymorphismes « fonctionnels » dans les régions de régulations des gènes (rSNPs) perturberaient cette voie à cause de taux variables de transcrits et des protéines correspondantes dû à la modification des sites de reconnaissances des facteurs de transcription. Les principaux objectifs de mon projet sont : (i) identifier les SNPs présents dans la région promotrice des gènes d’apoptose; (ii) déterminer les haplotypes de promoteurs les plus fréquents présents dans la population générale; (rHaps) (iii) vérifier leurs impacts fonctionnels sur l’expression génique par des essais in vitro (gène rapporteur et retard sur gel). Cette étude permettra d’identifier des rSNPs et rHaps ayant un impact sur le niveau d’expression des gènes d’apoptose, au moins dans un contexte in vitro. Ces différences alléliques au niveau de l’expression de ces gènes d’apoptose pourraient contribuer à la susceptibilité interindividuelle de développer un cancer.