Sélection de peptides altérant le changement de cadre de lecture -1 programmé du VIH-1

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Les cadres de lectures alternatifs : une approche non-conventionnelle pour le développement de vecteurs vaccinaux

Introduction: Les cadres de lectures alternatifs (CLA) sont utilisés par de multiples virus afin de générer plusieurs protéines à partir d'une seule séquence nucléotidique. Les épitopes dits « cryptiques », c’est-à-dire les épitopes dérivés de protéines codées dans des CLAs, ont étés dernièrement l’objet de différentes études portant sur la réponse immunitaire antivirale et les lymphocytes T cytotoxiques. Méthodologie: Afin de vérifier le potentiel immunogène d'épitopes encodés dans des CLAs programmés, trois cassettes ont été construites pour mener à l'expression de trois épitopes bien caractérisés (épitope GAG77–85 du virus de l'immunodéficience humaine de type 1; épitope NS31406-1415 du virus de l'hépatite C; épitope core18-27 du virus de l'hépatite B) à partir de trois cadres de lectures superposés. La première cassette permet une initiation alternative de la traduction, la deuxième comprend deux signaux bipartites en tandem permettant un frameshift ribosomique et la troisième est une cassette contrôle. Ces éléments ont été introduits dans des vecteurs adénoviraux. Les virions générés ont servi à immuniser des souris C57BL/6 transgéniques pour HLA-A*0201 et HLA-DR1. La réponse immunitaire induite une semaine post-immunisation a été mesurée par essai ELISpot IFN . Résultats: Dans le contexte de cassettes vaccinales, les peptides dérivés d'une initiation alternative de traduction et de changement de cadre de lecture ribosomique ribosomal peuvent être exprimés et détectés par le système immunitaire dans un modèle animal. Conclusion: Ces expériences suggèrent la possibilité de développer de nouvelles stratégies vaccinales dans le but de prévenir ou de guérir certaines maladies associées aux infections virales chroniques telles que celles causées par le virus de l’immunodéficience humaine et le virus de l’hépatite C.

Biology and characterisation of polyalanine as an emerging pathological marker

Dix-huit maladies humaines graves ont jusqu'ici été associées avec des expansions de trinucléotides répétés (TNR) codant soit pour des polyalanines (codées par des codons GCN répétés) soit pour des polyglutamines (codées par des codons CAG répétés) dans des protéines spécifiques. Parmi eux, la dystrophie musculaire oculopharyngée (DMOP), l’Ataxie spinocérébelleuse de type 3 (SCA3) et la maladie de Huntington (MH) sont des troubles à transmission autosomale dominante et à apparition tardive, caractérisés par la présence d'inclusions intranucléaires (IIN). Nous avons déjà identifié la mutation responsable de la DMOP comme étant une petite expansion (2 à 7 répétitions supplémentaires) du codon GCG répété du gène PABPN1. En outre, nous-mêmes ainsi que d’autres chercheurs avons identifié la présence d’événements de décalage du cadre de lecture ribosomique de -1 au niveau des codons répétés CAG des gènes ATXN3 (SCA3) et HTT (MH), entraînant ainsi la traduction de codons répétés hybrides CAG/GCA et la production d'un peptide contenant des polyalanines. Or, les données observées dans la DMOP suggèrent que la toxicité induite par les polyalanines est très sensible à leur quantité et leur longueur. Pour valider notre hypothèse de décalage du cadre de lecture dans le gène ATXN3 dans des modèles animaux, nous avons essayé de reproduire nos constatations chez la drosophile et dans des neurones de mammifères. Nos résultats montrent que l'expression transgénique de codons répétés CAG élargis dans l’ADNc de ATXN3 conduit aux événements de décalage du cadre de lecture -1, et que ces événements sont néfastes. À l'inverse, l'expression transgénique de codons répétés CAA (codant pour les polyglutamines) élargis dans l’ADNc de ATXN3 ne conduit pas aux événements de décalage du cadre de lecture -1, et n’est pas toxique. Par ailleurs, l’ARNm des codons répétés CAG élargis dans ATXN3 ne contribue pas à la toxicité observée dans nos modèles. Ces observations indiquent que l’expansion de polyglutamines dans nos modèles drosophile et de neurones de mammifères pour SCA3 ne suffit pas au développement d'un phénotype. Par conséquent, nous proposons que le décalage du cadre de lecture ribosomique -1 contribue à la toxicité associée aux répétitions CAG dans le gène ATXN3. Pour étudier le décalage du cadre de lecture -1 dans les maladies à expansion de trinucléotides CAG en général, nous avons voulu créer un anticorps capable de détecter le produit présentant ce décalage. Nous rapportons ici la caractérisation d’un anticorps polyclonal qui reconnaît sélectivement les expansions pathologiques de polyalanines dans la protéine PABPN1 impliquée dans la DMOP. En outre, notre anticorps détecte également la présence de protéines contenant des alanines dans les inclusions intranucléaires (IIN) des échantillons de patients SCA3 et MD.

Mutations in the gene encoding the alpha subunit of the rod cGMP-gated channel in autosomal recessive retinitis pigmentosa.

Mutations in the genes encoding two proteins of the retinal rod phototransduction cascade, opsin and the beta subunit of rod cGMP phosphodiesterase, cause retinitis pigmentosa (RP) in some families. Here we report defects in a third member of this biochemical pathway in still other patients with this disease. We screened 94 unrelated patients with autosomal dominant RP and 173 unrelated patients with autosomal recessive RP for mutations in the gene encoding the alpha subunit of the rod cGMP-gated cation channel. Five mutant sequences cosegregated with disease among four unrelated families with autosomal recessive RP. Two of these were nonsense mutations early in the reading frame (Glu76End and Lys139End) and one was a deletion encompassing most if not all of the transcriptional unit; these three alleles would not be expected to encode a functional channel. The remaining two mutations were a missense mutation (Ser316Phe) and a frameshift [Arg654(1-bp del)] mutation truncating the last 32 aa in the C terminus. The latter two mutations were expressed in vitro and found to encode proteins that were predominantly retained inside the cell instead of being targeted to the plasma membrane. We conclude that the absence or paucity of functional cGMP-gated cation channels in the plasma membrane is deleterious to rod photoreceptors and is an uncommon cause of RP.

Influence de l'initiation de la traduction sur le changement programmé du cadre de lecture en -1 responsable de la synthèse des enzymes du virus de l’immunodéficience humaine de type 1

Le virus de l’immunodéficience humaine de type 1 (VIH-1) est responsable du syndrome de l’immunodéficience acquise (SIDA). Il faut identifier de nouvelles cibles pour le développement d’agents anti-VIH-1, car ce virus développe une résistance aux agents présentement utilisés. Notre but est d’approfondir la caractérisation de l’étape du changement de cadre de lecture ribosomique en -1 (déphasage -1) nécessaire à la production du précurseur des enzymes du VIH-1. Ce déphasage est programmé et effectué par une minorité de ribosomes lorsqu’ils traduisent la séquence dite glissante à un endroit spécifique de l’ARN messager (ARNm) pleine-longueur du VIH-1. L’efficacité de déphasage est contrôlée par le signal stimulateur de déphasage (SSF), une tige-boucle irrégulière située en aval de la séquence glissante. La structure du SSF est déroulée lors du passage d’un ribosome, mais elle peut se reformer ensuite. Nous avons montré que des variations de l’initiation de la traduction affectent l’efficacité de déphasage. Nous avons utilisé, dans des cellules Jurkat-T et HEK 293T, un rapporteur bicistronique où les gènes codant pour les luciférases de la Renilla (Rluc) et de la luciole (Fluc) sont séparés par la région de déphasage du VIH-1. La Rluc est produite par tous les ribosomes traduisant l’ARNm rapporteur alors que la Fluc est produite uniquement par les ribosomes effectuant un déphasage. L’initiation de ce rapporteur est coiffe-dépendante, comme pour la majorité des ARNm cellulaires. Nous avons examiné l’effet de trois inhibiteurs de l’initiation et montré que leur présence augmente l’efficacité de déphasage. Nous avons ensuite étudié l’effet de la tige-boucle TAR, qui est présente à l’extrémité 5’ de tous les ARNm du VIH-1. TAR empêche la liaison de la petite sous-unité du ribosome (40S) à l’ARNm et module aussi l’activité de la protéine kinase dépendante de l’ARN double-brin (PKR). L’activation de PKR inhibe l’initiation en phosphorylant le facteur d’initiation eucaryote 2 (eIF2) alors que l’inhibition de PKR a l’effet inverse. Nous avons étudié l’effet de TAR sur la traduction et le déphasage via son effet sur PKR en utilisant TAR en trans ou en cis, mais à une certaine distance de l’extrémité 5’ afin d’éviter l’interférence avec la liaison de la 40S. Nous avons observé qu’une faible concentration de TAR, qui active PKR, augmente l’efficacité de déphasage alors qu’une concentration élevée de TAR, qui inhibe PKR, diminue cette efficacité. Nous avons proposé un modèle où des variations de l’initiation affectent l’efficacité de déphasage en modifiant la distance entre les ribosomes parcourant l’ARNm et, donc, la probabilité qu’ils rencontrent un SSF structuré. Par la suite, nous avons déterminé l’effet de la région 5’ non traduite (UTR) de l’ARNm pleine-longueur du VIH-1 sur l’efficacité de déphasage. Cette 5’UTR contient plusieurs régions structurées, dont TAR à l’extrémité 5’, qui peut interférer avec l’initiation. Cet ARNm a une coiffe permettant une initiation coiffe-dépendante ainsi qu’un site d’entrée interne des ribosomes (IRES), permettant une initiation IRES-dépendante. Nous avons introduit cette 5’UTR, complète ou en partie, comme 5’UTR de notre ARNm rapporteur bicistronique. Nos résultats démontrent que cette 5’UTR complète inhibe l’initiation coiffe dépendante et augmente l’efficacité de déphasage et que ces effets sont dus à la présence de TAR suivie de la tige-boucle Poly(A). Nous avons aussi construit un rapporteur tricistronique où les ribosomes exprimant les luciférases utilisent obligatoirement l’IRES. Nous avons observé que cette initiation par l’IRES est faible et que l’efficacité de déphasage correspondante est également faible. Nous avons formulé une hypothèse pour expliquer cette situation. Nous avons également observé que lorsque les deux modes d’initiation sont disponibles, l’initiation coiffe dépendante est prédominante. Finalement, nous avons étudié l’effet de la protéine virale Tat sur l’initiation de la traduction et sur l’efficacité de déphasage. Nous avons montré qu’elle augmente l’initiation de la traduction et que son effet est plus prononcé lorsque TAR est située à l’extrémité 5’ des ARNm. Nous proposons un modèle expliquant les effets de Tat sur l’initiation de la traduction par l’inhibition de PKR ainsi que par des changements de l’expression de protéines cellulaires déroulant TAR. Ces résultats permettent de mieux comprendre les mécanismes régissant le déphasage du VIH-1, ce qui est essentiel pour le développement d’agents anti-déphasage.

Next-generation sequencing: A frameshift in skeletal dysplasia gene discovery

In the last decade, huge breakthroughs in genetics - driven by new technology and different statistical approaches - have resulted in a plethora of new disease genes identified for both common and rare diseases. Massive parallel sequencing, commonly known as next-generation sequencing, is the latest advance in genetics, and has already facilitated the discovery of the molecular cause of many monogenic disorders. This article describes this new technology and reviews how this approach has been used successfully in patients with skeletal dysplasias. Moreover, this article illustrates how the study of rare diseases can inform understanding and therapeutic developments for common diseases such as osteoporosis. © International Osteoporosis Foundation and National Osteoporosis Foundation 2013.

Local Structural and Environmental Factors Define the Efficiency of an RNA Pseudoknot Involved in Programmed Ribosomal Frameshift Process

In programmed -1 ribosomal frameshift, an RNA pseudoknot stalls the ribosome at specific sequence and restarts translation in a new reading frame. A precise understanding of structural characteristics of these pseudoknots and their PRF inducing ability has not been clear to date. To investigate this phenomenon, we have studied various structural aspects of a -1 PRF inducing RNA pseudoknot from BWYV using extensive molecular dynamics simulations. A set of functional and poorly functional forms, for which previous mutational data were available, were chosen for analysis. These structures differ from each other by either single base substitutions or base-pair replacements from the native structure. We have rationalized how certain mutations in RNA pseudoknot affect its function; e.g., a specific base substitution in loop 2 stabilizes the junction geometry by forming multiple noncanonical hydrogen bonds, leading to a highly rigid structure that could effectively resist ribosome-induced unfolding, thereby increasing efficiency. While, a CG to AU pair substitution in stem 1 leads to loss of noncanonical hydrogen bonds between stems and loop, resulting in a less stable structure and reduced PRF inducing ability, inversion of a pair in stem 2 alters specific base-pair geometry that might be required in ribosomal recognition of nucleobase groups, negatively affecting pseudoknot functioning. These observations illustrate that the ability of an RNA pseudoknot to induce -1 PRF with an optimal rate depends on several independent factors that contribute to either the local conformational variability or geometry

Caractérisation du décalage du cadre de lecture de la protéine ataxine-3

Les expansions du codon CAG (polyQ) sont impliquées dans neuf maladies neurodégénératives. Notre groupe a démontré que, lors de la traduction de la protéine ataxine-3 (Atx3) mutée qui est impliquée dans l’ataxie spinocérébelleuse de type 3 (SCA3), un changement du cadre de lecture vers un cadre décalé -1 (GCA) se produit. La traduction dans ce nouveau cadre de lecture entraine la production de polyalanine et ceci amplifierait la toxicité des polyQ. Le changement de cadre de lecture (ccl) ribosomique peut se produire des virus aux mammifères mais peu de choses sont connues sur son impact chez l’humain. Afin d’étudier ce phénomène dans la protéine Atx3 avec expansion de polyQ, nous avons établi un modèle de Drosophile transgénique et testé si c’était l’ARNm ou la protéine mutée qui était toxique. Nous avons aussi employé un essai de toeprinting (TP) afin d’identifier l’emplacement précis où les ribosomes changent de cadre de lecture sur l’ARNm. Nos résultats indiquent que la toxicité est due à la présence de polyalanines faisant suite au ccl et que l’ARNm en soi n’est pas la cause directe de la toxicité. De plus, nous avons observé que les ribosomes s’arrêtent au 48ième codon glutamine et que cet arrêt est spécifique aux polyQ. L’arrêt des ribosomes a d’ailleurs aussi été observé dans d’autres maladies avec expansions de polyQ. Puisque ces maladies ont des caractéristiques communes, un blocage de ce ccl pourrait atténuer les symptômes des patients SCA3 et d’autres maladies à expansions de polyQ

Étude du mécanisme du changement programmé -1 du cadre de lecture par le ribosome

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Sequence-selective assembly of tweezer-molecules on linear templates enables frameshift-reading of sequence information

Monomer-sequence information in synthetic copolyimides can be recognised by tweezer-type molecules binding to adjacent triplet-sequences on the polymer chains. In the present paper different tweezer-molecules are found to have different sequence-selectivities, as demonstrated in solution by 1H NMR spectroscopy and in the solid state by single crystal X-ray analyses of tweezer-complexes with linear and macrocyclic oligo-imides. This work provides clear-cut confirmation of polyimide chain-folding and adjacent-tweezer-binding. It also reveals a new and entirely unexpected mechanism for sequence-recognition which, by analogy with a related process in biomolecular information processing, may be termed "frameshift-reading". The ability of one particular tweezer-molecule to detect, with exceptionally high sensitivity, long-range sequence-information in chain-folding aromatic copolyimides, is readily explained by this novel process.

Characterization of the Exonic Regions of the JY-1 Gene in Zebu Cattle and Buffaloes

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

A frameshift mutation in the cubilin gene (CUBN) in Beagles with Imerslund-Gräsbeck syndrome (selective cobalamin malabsorption).

Mammals are unable to synthesize cobalamin or vitamin B12 and rely on the uptake of dietary cobalamin. The cubam receptor expressed on the intestinal endothelium is required for the uptake of cobalamin from the gut. Cubam is composed of two protein subunits, amnionless and cubilin, which are encoded by the AMN and CUBN genes respectively. Loss-of-function mutations in either the AMN or the CUBN gene lead to hereditary selective cobalamin malabsorption or Imerslund-Gräsbeck syndrome (IGS). We investigated Beagles with IGS and resequenced the whole genome of one affected Beagle at 15× coverage. The analysis of the AMN and CUBN candidate genes revealed a homozygous deletion of a single cytosine in exon 8 of the CUBN gene (c.786delC). This deletion leads to a frameshift and early premature stop codon (p.Asp262Glufs*47) and is, thus, predicted to represent a complete loss-of-function allele. We tested three IGS-affected and 89 control Beagles and found perfect association between the IGS phenotype and the CUBN:c.786delC variant. Given the known role of cubilin in cobalamin transport, which has been firmly established in humans and dogs, our data strongly suggest that the CUBN:c.786delC variant is causing IGS in the investigated Beagles.

A frameshift mutation in the cubilin gene (CUBN) in Border Collies with Imerslund-Gräsbeck syndrome (selective cobalamin malabsorption).

Imerslund-Gräsbeck syndrome (IGS) or selective cobalamin malabsorption has been described in humans and dogs. IGS occurs in Border Collies and is inherited as a monogenic autosomal recessive trait in this breed. Using 7 IGS cases and 7 non-affected controls we mapped the causative mutation by genome-wide association and homozygosity mapping to a 3.53 Mb interval on chromosome 2. We re-sequenced the genome of one affected dog at ∼10× coverage and detected 17 non-synonymous variants in the critical interval. Two of these non-synonymous variants were in the cubilin gene (CUBN), which is known to play an essential role in cobalamin uptake from the ileum. We tested these two CUBN variants for association with IGS in larger cohorts of dogs and found that only one of them was perfectly associated with the phenotype. This variant, a single base pair deletion (c.8392delC), is predicted to cause a frameshift and premature stop codon in the CUBN gene. The resulting mutant open reading frame is 821 codons shorter than the wildtype open reading frame (p.Q2798Rfs*3). Interestingly, we observed an additional nonsense mutation in the MRC1 gene encoding the mannose receptor, C type 1, which was in perfect linkage disequilibrium with the CUBN frameshift mutation. Based on our genetic data and the known role of CUBN for cobalamin uptake we conclude that the identified CUBN frameshift mutation is most likely causative for IGS in Border Collies.

Human ATP-binding cassette transporter 1 (ABC1): Genomic organization and identification of the genetic defect in the original Tangier disease kindred

Tangier disease is characterized by low serum high density lipoproteins and a biochemical defect in the cellular efflux of lipids to high density lipoproteins. ABC1, a member of the ATP-binding cassette family, recently has been identified as the defective gene in Tangier disease. We report here the organization of the human ABC1 gene and the identification of a mutation in the ABC1 gene from the original Tangier disease kindred. The organization of the human ABC1 gene is similar to that of the mouse ABC1 gene and other related ABC genes. The ABC1 gene contains 49 exons that range in size from 33 to 249 bp and is over 70 kb in length. Sequence analysis of the ABC1 gene revealed that the proband for Tangier disease was homozygous for a deletion of nucleotides 3283 and 3284 (TC) in exon 22. The deletion results in a frameshift mutation and a premature stop codon starting at nucleotide 3375. The product is predicted to encode a nonfunctional protein of 1,084 aa, which is approximately half the size of the full-length ABC1 protein. The loss of a Mnl1 restriction site, which results from the deletion, was used to establish the genotype of the rest of the kindred. In summary, we report on the genomic organization of the human ABC1 gene and identify a frameshift mutation in the ABC1 gene of the index case of Tangier disease. These results will be useful in the future characterization of the structure and function of the ABC1 gene and the analysis of additional ABC1 mutations in patients with Tangier disease.

The product of ORF O located within the domain of herpes simplex virus 1 genome transcribed during latent infection binds to and inhibits in vitro binding of infected cell protein 4 to its cognate DNA site

The partially overlapping ORF P and ORF O are located within the domains of the herpes simplex virus 1 genome transcribed during latency. Earlier studies have shown that ORF P is repressed by infected cell protein 4 (ICP4), the major viral regulatory protein, binding to its cognate site at the transcription initiation site of ORF P. The ORF P protein binds to p32, a component of the ASF/SF2 alternate splicing factors; in cells infected with a recombinant virus in which ORF P was derepressed there was a significant decrease in the expression of products of key regulatory genes containing introns. We report that (i) the expression of ORF O is repressed during productive infection by the same mechanism as that determining the expression of ORF P; (ii) in cells infected at the nonpermissive temperature for ICP4, ORF O protein is made in significantly lower amounts than the ORF P protein; (iii) the results of insertion of a sequence encoding 20 amino acids between the putative initiator methionine codons of ORF O and ORF P suggest that ORF O initiates at the methionine codon of ORF P and that the synthesis of ORF O results from frameshift or editing of its RNA; and (iv) glutathione S-transferase–ORF O fusion protein bound specifically ICP4 and precluded its binding to its cognate site on DNA in vitro. These and earlier results indicate that ORF P and ORF O together have the capacity to reduce the synthesis or block the expression of regulatory proteins essential for viral replication in productive infection.