The Importance of Protein-Protein Interactions on the pH-Induced Conformational Changes of Bovine Serum Albumin: A Small-Angle X-Ray Scattering Study

The combined effects of concentration and pH on the conformational states of bovine serum albumin (BSA) are investigated by small-angle x-ray scattering. Serum albumins, at physiological conditions, are found at concentrations of similar to 35-45 mg/mL (42 mg/mL in the case of humans). In this work, BSA at three different concentrations (10, 25, and 50 mg/mL) and pH values (2.0-9.0) have been studied. Data were analyzed by means of the Global Fitting procedure, with the protein form factor calculated from human serum albumin (HSA) crystallographic structure and the interference function described, considering repulsive and attractive interaction potentials within a random phase approximation. Small-angle x-ray scattering data show that BSA maintains its native state from pH 4.0 up to 9.0 at all investigated concentrations. A pH-dependence of the absolute net protein charge is shown and the charge number per BSA is quantified to 10(2), 8(l), 13(2), 20(2), and 26(2) for pH values 4.0, 5.4, 7.0, 8.0, and 9.0, respectively. The attractive potential diminishes as BSA concentration increases. The coexistence of monomers and dimers is observed at 50 mg/mL and pH 5.4, near the BSA isoelectric point. Samples at pH 2.0 show a different behavior, because BSA overall shape changes as a function of concentration. At 10 mg/mL, BSA is partially unfolded and a strong repulsive protein-protein interaction occurs due to the high amount of exposed charge. At 25 and 50 mg/mL, BSA undergoes some refolding, which likely results in a molten-globule state. This work concludes by confirming that the protein concentration plays an important role on the pH-unfolded BSA state, due to a delicate compromise between interaction forces and crowding effects.

Conformational changes in monolayers of a cationic amphiphilic porphyrin on saline subphases

Langmuir monolayer films of the tetracationic porphyrin tetrakis(octadecyl-4-pyridin ium)porphyrinatozinc(II) bromide on various salt containing subphases were analyzed using surface pressure-area isotherms and X-ray reflectivity. The use of these complementary techniques showed that the porphyrin molecules undergo changes in conformation upon compression. Two main phases were identified, one in which the porphyrin moiety is parallel to the subphase and one in which the porphyrin moiety is tilted out of the plane. The addition of different salts into the subphase brought about changes in film behaviour, which are explained in terms of a lyotropic series. Copyright (C) 2002 Society of Porphyrins,& Phthalocyanines.

Conformational changes in SP-B as a function of surface pressure

X-ray reflectivity of bovine and sheep surfactant-associated protein B (SP-B) monolayers is used in conjunction with pressure-area isotherms and protein models to suggest that the protein undergoes changes in its tertiary structure at the air/water interface under the influence of surface pressure, indicating the likely importance of such changes to the phenomena of protein squeeze out as well as lipid exchange between the air-water interface and subphase structures. We describe an algorithm based on the well-established box- or layer-models that greatly assists the fitting of such unknown scattering-length density profiles, and which takes the available instrumental resolution into account. Scattering-length density profiles from neutron reflectivity of bovine SP-B monolayers on aqueous subphases are shown to be consistent with the exchange of a large number of labile protons as well as the inclusion of a significant amount of water, which is partly squeezed out of the protein monolayer at elevated surface pressures.

Ligand binding transmits conformational changes across the membrane-spanning region to the intracellular side of the 5-HT3 serotonin receptor.

Conformational changes of channel activation: Five enhanced green fluorescent protein (EGFP) molecules (green cylinders) were integrated into the intracellular part of the homopentameric ionotropic 5-HT3 receptor. This allowed the detection of extracellular binding of fluorescent ligands (?) to EGFP by FRET, and also enabled the quantification of agonist-induced conformational changes in the intracellular region of the receptor by homo-FRET between EGFPs. The approach opens novel ways for probing receptor activation and functional screening of therapeutic compounds.

Hemagglutinating and fusogenic activities of Newcastle disease virus: studies on receptor binding specificity and pH-induced conformational changes

Vaccinal and wild strains of Newcastle Disease virus (NDV) were analyzed for cell receptor binding and fusogenic biological properties associated with their HN (hemagglutinin-neuraminidase) and F (fusion protein) surface structures respectively. The evaluation of the biological activities of HN and F was carried out respectively by determination of hemagglutinating titers and hemolysis percentages, using erythrocytes from various animal origins at different pH values. Significant differences in hemagglutination titers for some strains of NDV were detected, when interacting with goose, sheep, guinea-pip and human "O" group erythrocytes at neutral pH. Diversity of hemolysis percentagens was observed between different NDV strains at acid pH. These analysis were developed to evaluate particular aspects of the actual influence of the receptor specifity and pH on the receptor binding and fusogenic processes of Newcastle Disease viruses.

Study of conformational changes of ASIC1a by voltage-clamp fluorometry

Le fonctionnement du système nerveux est sensible aux variations de la concentration d'acide. Une acidification des tissus peut se produire pendant une activité neuronale intense ou dans des situations physiopathologiques telles que l'inflammation ou les lésions cérébrales. Les canaux ioniques sensibles à l'acide (ASIC) sont activés par acidification et jouent un rôle important dans la détection des changements d'acide. Les ASICs contribuent à la dégénérescence neuronale après une lésion cérébrale, puisque leur inhibition limite la lésion neuronale. L'acidification induite par une inflammation du tissu nerveux conduit à des stimuli de douleur, qui sont détectés par ces canaux. En effet, les toxines qui bloquent spécifiquement les ASICs montrent des effets analgésiques dans des modèles animaux. La structure 3D d'ASIC peut être comparée à une main qui tient une boule entre son pouce et le doigt. Les différents domaines d'ASIC sont appelés doigt, pouce, jointure, boule-ß et paume. Les domaines transmembranaires représentent le poignet de cette main. Mon projet de thèse vise à décrire les mouvements survenant sur ce canal pendant son activité. A cet effet, j'ai utilisé une technique combinée qui permet la mesure des mouvements en temps réel durant l'activité du canal. J'ai montré les réarrangements des domaines extracellulaires pendant l'activité ASIC. Ces mouvements sont transmis au pore du canal, ou ils contrôlent sa fermeture et ouverture. La direction de ces mouvements a été évaluée pour les domaines doigt et jointure, et nous avons montré qu'ils s'éloignent de la boule-ß lors de l'acidification. J'ai également été en mesure de décrire les mouvements qui se produisent dans la poche acidique, une zone qui est considérée comme importante, car elle représente le site de liaison de certaines toxines de venin qui agissent sur les ASICs. J'ai ainsi pu montrer que les domaines doigt et le pouce qui forment la poche acidique se rapprochent l'un de l'autre pendant l'activation du canal. Ces résultats sont en accord avec des observations précédentes réalisées sur les ASICs par d'autres chercheurs. Enfin, cette analyse approfondie permet d'améliorer les connaissances sur le contrôle de l'activité ASIC; de plus, les mécanismes trouvés ici sont probablement partagés entre les canaux de la famille à laquelle appartiennent les ASICs. -- Les acid-sensing ion channels (ASICs) sont des canaux sodiques ouverts par les protons et principalement exprimés dans le système nerveux. Ils sont impliqués dans la détection des protons dans de nombreux états physiologiques et pathologiques comme l'ischémie et la perception de la douleur. La structure cristalline de l'isoforme ASIC1 de poulet a été déterminée dans l'état désensibilisé et ouvert. Les études fonctionnelles indiquent que la protonation des résidus clés dans la boucle extracellulaire déclenche des changements de conformation conduisant à l'ouverture du canal. Cependant, les mécanismes moléculaires qui relient la protonation à l'ouverture et la fermeture du canal n'ont pas encore été clarifiés. Dans cette étude, nous avons utilisé la voltage-clamp fluorimétrie (VCF) pour révéler les mouvements de l'activité associée qui se produisent dans les différents domaines de l'ASICla. Les fluorophores positionnés dans le pouce, la paume, le doigt, l'articulation et dans les domaines de l'entrée du pore extracellulaire ont montré des signaux de VCF liés à des changements de conformation au cours de l'activité du canal. La synchronisation des changements de fluorescence indique une séquence complexe de mouvements en fonction du pH. La cinétique de la fluorescence et des signaux de courant ont été comparés les uns aux autres afin de déterminer si le mouvement détecté par le signal de fluorescence correspond à une transition fonctionnelle définie du canal. Certains des résidus testés se sont révélés être étroitement liés à la désensibilisation du canal ou au rétablissement après la désensibilisation. En outre, nous avons trouvé qu'un tryptophane endogène de la boule-ß diminue le signal de fluorescence des sondes positionnées dans les domaines doigt et jointure. L'augmentation observée de ces signaux indique que ces domaines s'éloignent à une distance à partir de la boucle de la boule-ß. Sur la base de ce principe, nous avons généré des paires Trp-Cys « quencher», dans lequel le Cys est utilisé comme site d'ancrage pour attacher le fluorophore. Ensuite, nous avons évalué les changements de conformation qui se produisent au niveau de la poche acide, une zone importante pour la fonction et la régulation d'ASIC. Les signaux de fluorescence indiquent un mouvement de l'hélice supérieure du pouce vers le doigt et une rotation de la boule-ß dans le sens horaire. L'analyse de la cinétique indique que les mouvements des sous-domaines qui composent la poche acide se produisent pendant la désensibilisation du canal. Mon projet de doctorat représente la première analyse approfondie des changements conformationnels dépendants de l'activité des ASICs et fournit des informations sur les mécanismes de contrôle de l'activité du canal qui sont probablement partagés avec d'autres canaux proches.

Time-Lapse AFM Imaging of DNA Conformational Changes Induced by Daunorubicin.

Cancer is a major health issue that absorbs the attention of a large part of the biomedical research. Intercalating agents bind to DNA molecules and can inhibit their synthesis and transcription; thus, they are increasingly used as drugs to fight cancer. In this work, we show how atomic force microscopy in liquid can characterize, through time-lapse imaging, the dynamical influence of intercalating agents on the supercoiling of DNA, improving our understanding of the drug's effect.

Human immunoglobulins and Fc fragments promote microtubule assembly via tau proteins and induce conformational changes of neuronal microtubules in vitro.

The influence of human immunoglobulins (Ig) in neuronal cytoskeleton stability was studied in vitro. Here we show that human Ig and Fc fragments stimulate animal and human microtubule assembly by binding to microtubules via tau isoforms. In presence of Ig, microtubules show increased aggregation, twisting and rigidity. Non-immune Ig and Fc fragments promote microtubule assembly in temperature-dependent manner and stabilize microtubules at a molecular ratio of 1 Ig per 4 tubulin dimers. These in vitro data provide an experimental support for an immuno-mediated modulation of the cytoskeleton. In conjunction with previous neuropathological data, they suggest that Ig could participate in early stages of neurodegeneration by affecting the microtubule stability in vivo.

Conformational changes modulate the activity of human RAD51 protein.

Homologous recombination provides a major pathway for the repair of DNA double-strand breaks in mammalian cells. Defects in homologous recombination can lead to high levels of chromosomal translocations or deletions, which may promote cell transformation and cancer development. A key component of this process is RAD51. In comparison to RecA, the bacterial homologue, human RAD51 protein exhibits low-level strand-exchange activity in vitro. This activity can, however, be stimulated by the presence of high salt. Here, we have investigated the mechanistic basis for this stimulation. We show that high ionic strength favours the co-aggregation of RAD51-single-stranded DNA (ssDNA) nucleoprotein filaments with naked duplex DNA, to form a complex in which the search for homologous sequences takes place. High ionic strength allows differential binding of RAD51 to ssDNA and double-stranded DNA (dsDNA), such that ssDNA-RAD51 interactions are unaffected, whereas those between RAD51 and dsDNA are destabilized. Most importantly, high salt induces a conformational change in RAD51, leading to the formation of extended nucleoprotein filaments on ssDNA. These extended filaments mimic the active form of the Escherichia coli RecA-ssDNA filament that exhibits efficient strand-exchange activity.

Full activation of the T cell receptor requires both clustering and conformational changes at CD3.

T cell receptor (TCR-CD3) triggering involves both receptor clustering and conformational changes at the cytoplasmic tails of the CD3 subunits. The mechanism by which TCRalphabeta ligand binding confers conformational changes to CD3 is unknown. By using well-defined ligands, we showed that induction of the conformational change requires both multivalent engagement and the mobility restriction of the TCR-CD3 imposed by the plasma membrane. The conformational change is elicited by cooperative rearrangements of two TCR-CD3 complexes and does not require accompanying changes in the structure of the TCRalphabeta ectodomains. This conformational change at CD3 reverts upon ligand dissociation and is required for T cell activation. Thus, our permissive geometry model provides a molecular mechanism that rationalizes how the information of ligand binding to TCRalphabeta is transmitted to the CD3 subunits and to the intracellular signaling machinery.

Real-time monitoring of protein conformational changes using a nano-mechanical sensor.

Proteins can switch between different conformations in response to stimuli, such as pH or temperature variations, or to the binding of ligands. Such plasticity and its kinetics can have a crucial functional role, and their characterization has taken center stage in protein research. As an example, Topoisomerases are particularly interesting enzymes capable of managing tangled and supercoiled double-stranded DNA, thus facilitating many physiological processes. In this work, we describe the use of a cantilever-based nanomotion sensor to characterize the dynamics of human topoisomerase II (Topo II) enzymes and their response to different kinds of ligands, such as ATP, which enhance the conformational dynamics. The sensitivity and time resolution of this sensor allow determining quantitatively the correlation between the ATP concentration and the rate of Topo II conformational changes. Furthermore, we show how to rationalize the experimental results in a comprehensive model that takes into account both the physics of the cantilever and the dynamics of the ATPase cycle of the enzyme, shedding light on the kinetics of the process. Finally, we study the effect of aclarubicin, an anticancer drug, demonstrating that it affects directly the Topo II molecule inhibiting its conformational changes. These results pave the way to a new way of studying the intrinsic dynamics of proteins and of protein complexes allowing new applications ranging from fundamental proteomics to drug discovery and development and possibly to clinical practice.

Study of biomacromolecule conformational changes by Scanning Force Microscopy

L?objectif de ce travail de thèse est l?étude des changements conformationels des biomacromolecules à l?échelle d?une molécule unique. Pour cela on a utilisé la Microscopie à Force Atomique (AFM) appliqué à l?étude des protéines et des acides nucléiques déposés sur une surface. Dans ce type de microscopie, une pointe très fine attachée à l?extrémité d?un levier est balayée au dessus d?une surface. L?interaction de la pointe avec la surface de l?échantillon induit la déflection du levier et ce phénomène permet de reconstruire la topographie de l?échantillon. Très importante dans cette technique est la possibilité de travailler en liquide. Cela permet de étudier les biomolécules en conditions quasi-physiologiques sans qu?elles perdent leur activité. On a étudié GroEL, la chaperonin de E.coli, qui est un homo oligomère avec une structure à double anneau qui joue un rôle très important dans le repliement des protéines dénaturées et celles qui viennent d?être synthétisées. En particulier on a focalisé notre attention sur la stabilité mécanique et sur les changements conformationels qui ont lieu pendant l?activité de GroEL. Une analyse détaillée des changements dans la stabilité mécanique et des effets produits par la liaison et l?hydrolyse de l?ATP est présentée dans ce travail. On a montré que le point le plus faible dans la structure de GroEL est l?interface entre les deux anneaux et que l?étape critique dans l?affaiblissement de la structure est l?hydrolyse de l?ATP. En ce qui concerne le changement conformationel, le passage d?une surface hydrophobe à hydrophile, induit par l?hydrolyse de l?ATP, a été montré. Ensuite on a étudié le changement dans la conformation et dans la topologie de l?ADN résultant de l?interaction avec des molécules spécifiques et en réponse à l?exposition des cellules de E.coli à des conditions de stress. Le niveau de surenroulement est un paramètre très sensible, de façon variée, à tous ces facteurs. Les cellules qui ont crus à de températures plus élevées que leur température optimale ont la tendance à diminuer le nombre de surenroulements négatif pour augmenter la stabilité thermique de leur plasmides. L?interaction avec des agents intercalant induit une transition d?un surenroulement négatif à un surenroulement positif d?une façon dépendante de la température. Finalement, l?effet de l?interaction de l?ADN avec des surfaces différentes a été étudié et une application pratique sur les noeuds d?ADN est présentée.<br/><br/>The aim of the present thesis work is to study the conformational changes of biomacromolecules at the single molecule level. To that end, Atomic Force Microcopy (AFM) imaging was performed on proteins and nucleic acids adsorbed onto a surface. In this microcopy technique a very sharp tip attached at the end of a soft cantilever is scanned over a surface, the interaction of the tip with the sample?s surface will induce the deflection of the cantilever and thus it will make possible to reconstruct the topography. A very important feature of AFM is the possibility to operate in liquid, it means with the sample immersed in a buffer solution. This allows one to study biomolecules in quasi-physiological conditions without loosing their activity. We have studied GroEL, the chaperonin of E.coli, which is a double-ring homooligomer which pays a very important role in the refolding of unfolded and newly synthetized polypeptides. In particular we focus our attention on its mechanical stability and on the conformational change that it undergoes during its activity cycle. A detailed analysis of the change in mechanical stability and how it is affected by the binding and hydrolysis of nucleotides is presented. It has been shown that the weak point of the chaperonin complex is the interface between the two rings and that the critical step to weaken the structure is the hydrolysis of ATP. Concerning the conformational change we have directly measured, with a nanometer scale resolution, the switching from a hydrophobic surface to a hydrophilic one taking place inside its cavity induced by the ATP hydrolysis. We have further studied the change in the DNA conformation and topology as a consequence of the interaction with specific DNA-binding molecules and the exposition of the E.coli cells to stress conditions. The level of supercoiling has been shown to be a very sensitive parameter, even if at different extents, to all these factors. Cells grown at temperatures higher than their optimum one tend to decrease the number of the negative superhelical turns in their plasmids in order to increase their thermal stability. The interaction with intercalating molecules induced a transition from positive to negative supercoiling in a temperature dependent way. The effect of the interaction of the DNA with different surfaces has been investigated and a practical application to DNA complex knots is reported.<br/><br/>Observer les objets biologiques en le touchant Schématiquement le Microscope a Force Atomique (AFM) consiste en une pointe très fine fixée a l?extrémité d?un levier Lors de l?imagerie, la pointe de l?AFM gratte la surface de l?échantillon, la topographie de celui-ci induit des déflections du levier qui sont enregistrées au moyen d?un rayon laser réfléchi par le levier. Ces donnés sont ensuit utilisés par un ordinateur pour reconstituer en 3D la surface de l?échantillon. La résolution de l?instrument est fonction entre autre de la dureté, de la rugosité de l?échantillon et de la forme de la pointe. Selon l?échantillon et la pointe utilisée la résolution de l?AFM peut aller de 0.1 A (sur des cristaux) a quelque dizaine de nanomètres (sur des cellules). Cet instrument est particulierment intéressant en biologie en raison de sa capacité à imager des échantillons immergés dans un liquide, c?est à dire dans des conditions quasiphysiologiques. Dans le cadre de ce travail nous avons étudié les changements conformationels de molécules biologiques soumises à des stimulations externes. Nous avons essentielment concentré notre attention sur des complexes protéiques nommé Chaperons Moléculaires et sur des molécules d?ADN circulaire (plasmides). Les Chaperons sont impliqués entre autre dans la résistance des organismes vivants aux stress thermiques et osmotiques. Leur activité consiste essentielment à aider les autres protéines à être bien pliés dans leur conformation finale et, en conséquence, à eviter que ils soient dénaturées et que ils puissent s?agréger. L?ADN, quant à lui est la molécule qui conserve, dans sa séquence, l?information génétique de tous les organismes vivants. Ce travail a spécifiquement concerné l?étude des changements conformationels des chaperonins suit a leur activation par l?ATP. Ces travaux ont montrés a l?échelle de molécule unique la capacité de ces protéines de changer leur surface de hydrophobique a hydrophilique. Nous avons également utilisé l?AFM pour étudier le changement du nombre des surenroulements des molécules d?ADN circulaire lors d?une exposition à un changement de température et de force ionique. Ces travaux ont permis de montrer comment la cellule regle le nombre de surenroulements dans ces molécules pour répondre et contrôler l?expression génétique même dans de conditions extrêmes. Pour les deux molécules en général, c?était très important d?avoir la possibilité de observer leur transitions d?une conformation a l?autre directement a l?échelle d?une seul molécule et, surtout, avec une résolution largement au dessous des la longueur d?onde de la lumière visible que représente le limite pour l?imagerie optique.

A Single Mutation at the Sheet Switch Region Results in Conformational Changes Favoring lambda 6 Light-Chain Fibrillogenesis

Systemic amyloid light-chain (LC) amyloidosis is a disease process characterized by the pathological deposition of monoclonal LCs in tissue. All LC subtypes are capable of fibril formation although lambda chains, particularly those belonging to the lambda 6 type, are overrepresented. Here, we report the thermodynamic and in vitro fibrillogenic properties of several mutants of the lambda 6 protein 6aJL2 in which Pro7 and/or His8 was substituted by Ser or Pro. The H8P and H8S mutants were almost as stable as the wildtype protein and were poorly fibrillogenic. In contrast, the P7S mutation decreased the thermodynamic stability of 6aJL2 and greatly enhanced its capacity to form amyloid-like fibrils in vitro. The crystal structure of the P7S mutant showed that the substitution induced both local and long-distance effects, such as the rearrangement of the V(L) (variable region of the light chain)-V(L) interface. This mutant crystallized in two orthorhombic polymorphs, P2(1)2(1)2(1) and C222(1). In the latter, a monomer that was not arranged in the typical Bence-Jones dimer was observed for the first time. Crystal-packing analysis of the C222(1) lattice showed the establishment of intermolecular beta-beta interactions that involved the N-terminus and beta-strand B and that these could be relevant in the mechanism of LC fibril formation. Our results strongly suggest that Pro7 is a key residue in the conformation of the N-terminal sheet switch motif and, through long-distance interactions, is also critically involved in the contacts that stabilized the V(L) interface in lambda 6 LCs. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Probing conformational changes in orphan nuclear receptor: The NGFI-B intermediate is a partially unfolded dimer

Human nerve growth factor-induced B (NGFI-B) is a member of the NR4A subfamily of orphan nuclear receptors (NRs). Lacking identified ligands, orphan NRs show particular co-regulator proteins binding properties, different from other NRs, and they might have a non-classical quaternary organization. A body of evidence suggests that NRs recognition of and binding to ligands, DNA, homo- and heterodimerization partners and co-regulator proteins involve significant conformational changes of the NR ligand-binding domains (LBDs). To shed light on largely unknown biophysical properties of NGFI-B, here we studied structural organization and unfolding properties of NGFI-B ligand (like)-binding domain induced by chemical perturbation. Our results show that NGFI-B LBD undergoes a two-state guanidine hydrochloride (GndHCl) induced denaturation, as judged by changes in the a-helical content of the protein monitored by circular dichroism spectroscopy (CD). In contrast, changes in the tertiary structure of NGFI-B LBD, reported by intrinsic fluorescence, reveal a clear intermediate state. Additionally, SAXS results demonstrate that the intermediate observed by intrinsic fluorescence is a partially folded homodimeric structure, which further unfolds without dissociation at higher GndHCl concentrations. This partially unfolded dimeric assembly of NGFI-B LBD might resemble an intermediate that this domain access momentarily in the native state upon interactions with functional partners. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

Evidence for conformational changes in the yeast deoxyhypusine hydroxylase Lia1 upon iron displacement from its active site

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