ClpB proteina: informazio-bilketa eta proteomika ituratuaren bidez aztertzeko esperimentuaren diseinua

Zelulen bizi zikloan zehar zein inguruneko estimulu edo erasoen aurrean, geneek adierazpenean aldaketak pairatzen dituzte; proteinen sintesia beraz, prozesu dinamikoa da. Proteomikak izugarrizko jauzia suposatu du egoera ezberdinetan sintetizatzen diren proteinen inguruko ezagutzan. Hasiera batean esfortzu gehienak identifikaziora bideratzen ziren arren, azken hamarkadetan identifikazioaz gain, kuantifikazioak indar handia hartu du. Hala izanik, gaur egun ikerkuntza arloan lagin biologiko konplexuetako proteinen identifikazio eta kuantifikazioa bereizmen handiz eta era errepikakorrean burutzeko metodoen behar handia dago. Proteomika diziplina sortu zenetik eta berrikuntza teknologikoek lagunduta, geneen adierazpen mailaren, isoformen eta itzulpen ondoko eraldaketen inguruko geroz eta informazio gehiago lortzen den arren, egunera arte erabilitako metodo guztiek zenbait muga edo traba agertzen dituztela ukaezina da. 2D geletako proteinen analisiarekin hasi eta masa espektrometrian oinarritutako eskala handiko proteomikatik igarota, gaur egun masa espektrometrian oinarritzen den eta puri-purian dagoen proteomika ituratura heldu gara. Azken hurbilketa honek lagin konplexuetan bereizmen eta espezifikotasun handiz, interesekoa den proteina jakin bat edo batzuk identifikatu eta kuantifikatzeko aukera eskaintzen du. Proteomika ituratua SRM (Single Reaction Monitoring) teknikaren eskutik agertu zen arren, gaur egun PRM (Parallel Reaction Monitoring) teknika ari da aurrekoarekiko gailentzen are bereizmen eta sentikortasun handiagoa eskaintzen baitu. Testuingurua hau izanik, aurkezten den lan honetan, Escherichia coliren (E. coli) ClpB proteinaren identifikazioa burutzeko PRM bidezko esperimentu bat diseinatu da. Batetik, proteina honen jarraipena egiteko erabiliko diren peptido proteotipikoen aukeraketa eskala handiko MS/MS esperimentuen bidez zein eskuragarri dauden datu-baseak erabilita burutu daitekeela frogatu da. Bestetik, PRM esperimentua lagin konplexu batekin burutu eta hautatutako peptidoak behatu daitezkeela ikusi da. Are gehiago, lortutako emaitzei erreparatuta, peptidoen aukeraketa esperimentuaren arrakastarako faktore erabakigarria dela ondorioztatu da. Gainera, proiektu honetan aurkezten den lanarekin, orain arteko biokimikako beste teknikek eskatzen duten lan eskerga ekiditen da. Hortaz, PRM teknika lagin konplexuetan inolako frakzionamendu, purifikazio edo aberastasun pausorik gabe intereseko proteina baten kuantifikazioa burutzeko metodo egokia dela frogatu da.

Reactivación de agregados proteicos por chaperonas moleculares

ClpB es una chaperona hexamérica que solubiliza y reactiva agregados proteicos con la colaboración del sistema Hsp70/Dnak. Cada monómero de la proteína contiene dos dominios de unión a nucleótido, NBDs, que unen e hidrolizan ATP. La inserción de subunidades mutantes inactivas, es decir, incapaces de hidrolizar ATP, en el hexámero de ClpB inhibe la actividad replegadora de esta chaperona porque bloquean la comunicación alostérica que se establece entre los NBDs de los protómeros. Con el fin de conocer qué dominios de la proteína se encuentran implicados en dicha comunicación intermonomérica, se preparan híbridos de ClpB que contienen subunidades inactivas sin dominio N-terminal o dominio M. Asimismo, se estudia el efecto de DnaK en la actividad ATPasa de ClpB.

Disaggregating chaperones: an unfolding story.

Stress, molecular crowding and mutations may jeopardize the native folding of proteins. Misfolded and aggregated proteins not only loose their biological activity, but may also disturb protein homeostasis, damage membranes and induce apoptosis. Here, we review the role of molecular chaperones as a network of cellular defenses against the formation of cytotoxic protein aggregates. Chaperones favour the native folding of proteins either as "holdases", sequestering hydrophobic regions in misfolding polypeptides, and/or as "unfoldases", forcibly unfolding and disentangling misfolded polypeptides from aggregates. Whereas in bacteria, plants and fungi Hsp70/40 acts in concert with the Hsp100 (ClpB) unfoldase, Hsp70/40 is the only known chaperone in the cytoplasm of mammalian cells that can forcibly unfold and neutralize cytotoxic protein conformers. Owing to its particular spatial configuration, the bulky 70 kDa Hsp70 molecule, when distally bound through a very tight molecular clamp onto a 50-fold smaller hydrophobic peptide loop extruding from an aggregate, can locally exert on the misfolded segment an unfolding force of entropic origin, thus destroying the misfolded structures that stabilize aggregates. ADP/ATP exchange triggers Hsp70 dissociation from the ensuing enlarged unfolded peptide loop, which is then allowed to spontaneously refold into a closer-to-native conformation devoid of affinity for the chaperone. Driven by ATP, the cooperative action of Hsp70 and its co-chaperone Hsp40 may thus gradually convert toxic misfolded protein substrates with high affinity for the chaperone, into non-toxic, natively refolded, low-affinity products. Stress- and mutation-induced protein damages in the cell, causing degenerative diseases and aging, may thus be effectively counteracted by a powerful network of molecular chaperones and of chaperone-related proteases.

Exploration génomique de la déficience intellectuelle

La déficience intellectuelle (DI) définit un groupe de conditions génétiquement hétérogènes caractérisées par l’apparition de troubles cognitifs précoces chez l’enfant. Elle affecte 1-3% de la population dans les pays industrialisés. La prévalence de la DI est beaucoup plus élevée ailleurs dans le monde, en raison de facteurs sociodémographiques comme le manque de ressources dans le système de santé, la pauvreté et la consanguinité. Des facteurs non-génétiques sont mis en cause dans l’étiologie de la DI ; on estime qu’environ 25% des cas de DI sont d’origine génétique. Traditionnellement, les bases moléculaires de la DI ont été investiguées par des analyses cytogénétiques, les approches de cartographie génétique et le séquençage de gènes candidats ; ces techniques de génétiques classiques sont encore mises à rude épreuve dans l’analyse de maladies complexes comme la DI. La DI liée à l’X a été particulièrement étudiée, avec plus d’une centaine de gènes identifiés uniquement sur le chromosome X. Des mutations hétérozygotes composites sont mises en évidence dans la DI autosomique, dans le contexte d’unions non-consanguines. L’occurrence de ce type de mutations est rare, chez des individus non-apparentés, de sorte que les mutations dominantes de novo sont plus courantes. Des mutations homozygotes sont attendues dans les populations consanguines ou marquées par un effet fondateur. En fait, les bases moléculaires de la DI autosomique ont été presqu’exclusivement étudiées dans le contexte de populations avec des forts taux de consanguinité. L’origine de la DI demeure encore inconnue dans environ 60 % des cas diagnostiqués. En l’absence de facteurs environnementaux associés à la DI chez ces individus, il est possible d’envisager que des facteurs génétiques non identifiés entrent en jeu dans ces cas de DI inexpliqués. Dans ce projet de recherche, nous voulions explorer l’origine génétique de la DI, dans vingt familles, où une transmission de la maladie selon un mode autosomique récessif est suspectée. Nous avons mis de l’avant les techniques de séquençage de nouvelle génération, afin de mettre en évidence les déterminants génétiques de la DI, à l’échelle du génome humain. En fait, nous avons priorisé la capture et le séquençage de l’exome; soient la totalité des régions codantes du génome humain et leurs sites d’épissage flanquants. Dans nos analyses, nous avons ciblé les variants qui ne sont pas rapportés trop fréquemment dans différentes bases de données d’individus contrôles, ces mutations rares cadrent mieux avec une condition comme la DI. Nous avons porté une attention particulière aux mutations autosomiques récessives (homozygotes et hétérozygotes composites) ; nous avons confirmé que ces mutations ségréguent avec une transmission récessive dans la famille à l’étude. Nous avons identifié des mutations dans des gènes pouvant être à l’origine de la DI, dans certaines des familles analysées ; nous avons validé biologiquement l'impact fonctionnel des mutations dans ces gènes candidats, afin de confirmer leur implication dans la pathophysiologie de la DI. Nous avons élucidé les bases moléculaires de la DI dans huit des familles analysées. Nous avons identifié le second cas de patients avec syndrome de cassure chromosomique de Varsovie, caractérisé par des dysfonctions de l’ARN hélicase DDX11. Nous avons montré qu’une perte de l’activité de TBC1D7, une des sous-unités régulatrice du complexe TSC1-TSC2, est à l’origine de la pathologie dans une famille avec DI et mégalencéphalie. Nous avons mis en évidence des mutations pathogéniques dans le gène ASNS, codant pour l’Asparagine synthétase, chez des patients présentant une microcéphalie congénitale et une forme progressive d’encéphalopathie. Nous avons montré que des dysfonctions dans la protéine mitochondriale MAGMAS sont mises en cause dans une condition caractérisée par un retard prononcé dans le développement associé à une forme sévère de dysplasie squelettique. Nous avons identifié une mutation tronquant dans SPTBN2, codant pour la protéine spinocerebellar ataxia 5, dans une famille avec DI et ataxie cérébelleuse. Nous avons également mis en évidence une mutation dans PIGN, un gène impliqué dans la voie de biosynthèse des ancres de glycosylphosphatidylinositol , pouvant être à l’origine de la maladie chez des individus avec épilepsie et hypotonie. Par ailleurs, nous avons identifié une mutation - perte de fonction dans CLPB, codant pour une protéine chaperonne mitochondriale, dans une famille avec encéphalopathie néonatale, hyperekplexie et acidurie 3-méthylglutaconique. Le potentiel diagnostic des techniques de séquençage de nouvelle génération est indéniable ; ces technologies vont révolutionner l’univers de la génétique moléculaire, en permettant d’explorer les bases génétiques des maladies complexes comme la DI.

Sequential mechanism of solubilization and refolding of stable protein aggregates by a bichaperone network

A major activity of molecular chaperones is to prevent aggregation and refold misfolded proteins. However, when allowed to form, protein aggregates are refolded poorly by most chaperones. We show here that the sequential action of two Escherichia coli chaperone systems, ClpB and DnaK-DnaJ-GrpE, can efficiently solubilize excess amounts of protein aggregates and refold them into active proteins. Measurements of aggregate turbidity, Congo red, and 4,4′-dianilino-1,1′-binaphthyl-5,5′-disulfonic acid binding, and of the disaggregation/refolding kinetics by using a specific ClpB inhibitor, suggest a mechanism where (i) ClpB directly binds protein aggregates, ATP induces structural changes in ClpB, which (ii) increase hydrophobic exposure of the aggregates and (iii) allow DnaK-DnaJ-GrpE to bind and mediate dissociation and refolding of solubilized polypeptides into native proteins. This efficient mechanism, whereby chaperones can catalytically solubilize and refold a wide variety of large and stable protein aggregates, is a major addition to the molecular arsenal of the cell to cope with protein damage induced by stress or pathological states.

Heat shock response in bacteria with large genomes: lessons from rhizobia

Rhizobia are important soil bacteria due to their ability to establish nitrogen-fixing symbioses with legume plants. In this dual lifestyle, as free-living bacteria or as plant symbiont, rhizobia are often exposed to different environmental stresses. The present chapter overviews the current knowledge on the heat shock response of rhizobia, highlighting how these large genome bacteria respond to heat from a transcriptional point of view. Response to heat shock in rhizobia involves genome wide changes in the transcriptome that may affect more than 30% of the genome and involve all replicons. In addition to the expected upregulation of genes already known to be involved in stress response (dnaK, groEL, ibpA, clpB), the reports on the heat shock response in rhizobia also showed particular aspects of stress response in these resourceful bacteria. The transcriptional response to heat in rhizobia includes the overexpression of a large number of genes involved in transcription and carbohydrate transport and metabolism. Additional studies are needed in order to better understand the transcriptional regulation of stress response in bacteria with large genomes.