The role of lysine-41 in RNase A catalysis - A quantum chemical study on the active site ligand complex

Several mechanisms have been proposed to explain the action of enzymes at the atomic level. Among them, the recent proposals involving short hydrogen bonds as a step in catalysis by Gerlt and Gassman [1] and proton transfer through low barrier hydrogen bonds (LBHBs) [2, 3] have attracted attention. There are several limitations to experimentally testing such hypotheses, Recent developments in computational methods facilitate the study of active site-ligand complexes to high levels of accuracy, Our previous studies, which involved the docking of the dinucleotide substrate UpA to the active site of RNase A [4, 5], enabled us to obtain a realistic model of the ligand-bound active site of RNase A. From these studies, based on empirical potential functions, we were able to obtain the molecular dynamics averaged coordinates of RNase A, bound to the ligand UpA. A quantum mechanical study is required to investigate the catalytic process which involves the cleavage and formation of covalent bonds. In the present study, we have investigated the strengths of some of the hydrogen bonds between the active site residues of RNase A and UpA at the ab initio quantum chemical level using the molecular dynamics averaged coordinates as the starting point. The 49 atom system and other model systems were optimized at the 3-21G level and the energies of the optimized systems were obtained at the 6-31G* level. The results clearly indicate the strengthening of hydrogen bonds between neutral residues due to the presence of charged species at appropriate positions. Such a strengthening manifests itself in the form of short hydrogen bonds and a low barrier for proton transfer. In the present study, the proton transfer between the 2'-OH of ribose (from the substrate) and the imidazole group from the H12 of RNase A is influenced by K41, which plays a crucial role in strengthening the neutral hydrogen bond, reducing the barrier for proton transfer.

Characterization of substrate UpA binding to RNase A--computer modelling and energetics approach.

In the past two decades RNase A has been the focus of diverse investigations in order to understand the nature of substrate binding and to know the mechanism of enzyme action. Although this system is reasonably well characterized from the view point of some of the binding sites, the details of interactions in the second base binding (B2) site is insufficient. Further, the nature of ligand-protein interaction is elucidated generally by studies on RNase A-substrate analog complexes (mainly with the help of X-ray crystallography). Hence, the details of interactions at atomic level arising due to substrates are inferred indirectly. In the present paper, the dinucleotide substrate UpA is fitted into the active site of RNase A Several possible substrate conformations are investigated and the binding modes have been selected based on Contact Criteria. Thus identified RNase A-UpA complexes are energy minimized in coordinate space and are analysed in terms of conformations, energetics and interactions. The best possible ligand conformations for binding to RNase A are identified by experimentally known interactions and by the energetics. Upon binding of UpA to RNase A the changes associated,with protein back bone, Side chains in general and at the binding sites in particular are described. Further, the detailed interactions between UpA and RNase A are characterized in terms of hydrogen bonds and energetics. An extensive study has helped in interpreting the diverse results obtained from a number of experiments and also in evaluating the extent of changes the protein and the substrate undergo in order to maximize their interactions.

Modes of binding of 2'-AMP to RNase T1. A computer modeling study

The modes of binding of adenosine 2'-monophosphate (2'-AMP) to the enzyme ribonuclease (RNase) T1 were determined by computer modelling studies. The phosphate moiety of 2'-AMP binds at the primary phosphate binding site. However, adenine can occupy two distinct sites--(1) The primary base binding site where the guanine of 2'-GMP binds and (2) The subsite close to the N1 subsite for the base on the 3'-side of guanine in a guanyl dinucleotide. The minimum energy conformers corresponding to the two modes of binding of 2'-AMP to RNase T1 were found to be of nearly the same energy implying that in solution 2'-AMP binds to the enzyme in both modes. The conformation of the inhibitor and the predicted hydrogen bonding scheme for the RNase T1-2'-AMP complex in the second binding mode (S) agrees well with the reported x-ray crystallographic study. The existence of the first mode of binding explains the experimental observations that RNase T1 catalyses the hydrolysis of phosphodiester bonds adjacent to adenosine at high enzyme concentrations. A comparison of the interactions of 2'-AMP and 2'-GMP with RNase T1 reveals that Glu58 and Asn98 at the phosphate binding site and Glu46 at the base binding site preferentially stabilise the enzyme-2'-GMP complex.

MS_RHII-RSD, a Dual-Function RNase HII-(p)ppGpp Synthetase from Mycobacterium smegmatis

In the noninfectious soil saprophyte Mycobacterium smegmatis, intracellular levels of the stress alarmones guanosine tetraphosphate and guanosine pentaphosphate, together termed (p)ppGpp, are regulated by the enzyme Rel(Msm). This enzyme consists of a single, bifunctional polypeptide chain that is capable of both synthesizing and hydrolyzing (p)ppGpp. The rel(Msm), knockout strain of M. smegmatis (Delta rel(Msm)) is expected to show a (p)ppGpp null (p)ppGpp(0)] phenotype. Contrary to this expectation, the strain is capable of synthesizing (p)ppGpp in vivo. In this study, we identify and functionally characterize the open reading frame (ORF), MSMEG_5849, that encodes a second functional (p)ppGpp synthetase in M. smegmatis. In addition to (p)ppGpp synthesis, the 567-amino-acid-long protein encoded by this gene is capable of hydrolyzing RNA(.)DNA hybrids and bears similarity to the conventional RNase HII enzymes. We have classified this protein as actRel(Msm) in accordance with the recent nomenclature proposed and have named it MS_RHII-RSD, indicating the two enzymatic activities present RHII, RNase HII domain, originally identified as (d) under bar omain of (u) under bar nknown (f) under bar unction 429 (DUF429), and RSD, RelA_SpoT nucleotidyl transferase domain, the SYNTH domain responsible for (p)ppGpp synthesis activity]. MS_RHII-RSD is expressed and is constitutively active in vivo and behaves like a monofunctional (p)ppGpp synthetase in vitro. The occurrence of the RNase HII and (p)ppGpp synthetase domains together on the same polypeptide chain is suggestive of an in vivo role for this novel protein as a link connecting the essential life processes of DNA replication, repair, and transcription to the highly conserved stress survival pathway, the stringent response.

Theoretical Characterization of Pentacovalent Oxyphosphorane Intermediate Structures of the Hydrolysis of RNA catalyzed by RNase A

266 p. : il. graf.

Functional and structural characterization of the RNase II-family of enzymes

Dissertation presented to obtain a Doctoral Degree in Biology by Instituto de Tecnologia Química e Biológica, Universidade Nova de Lisboa

Biological and Biochemical Characterization of Mutants of the RNase II family of enzymes

Dissertação para a obtenção de grau de doutor em Biologia pelo Instituto de Tecnologia Química e Biológica. Universidade Nova de Lisboa.

Purification of mitochondrial RNase P in A. nidulans

Résumé La ribonucléase P (RNase P) est une ribonucléoprotéine omniprésente dans tous les règnes du vivant, elle est responsable de la maturation en 5’ des précurseurs des ARNs de transfert (ARNts) et quelques autres petits ARNs. L’enzyme est composée d'une sous unité catalytique d'ARN (ARN-P) et d'une ou de plusieurs protéines selon les espèces. Chez les eucaryotes, l’activité de la RNase P cytoplasmique est distincte de celles des organelles (mitochondrie et chloroplaste). Chez la plupart des espèces, les ARN-P sont constituées de plusieurs éléments structuraux secondaires critiques conservés au cours de l’évolution. En revanche, au niveau de la structure, une réduction forte été observé dans la plupart des mtARN-Ps. Le nombre de protéines composant la RNase P est extrêmement variable : une chez les bactéries, environ quatre chez les archéobactéries, et dix chez la forme cytoplasmique des eucaryotes. Cet aspect est peu connu pour les formes mitochondriales. Dans la plupart des cas, l’identification de la mtRNase P est le résultat de longues procédures de purification comprenant plusieurs étapes dans le but de réduire au minimum le nombre de protéines requises pour l’activité (exemple de la levure et A. nidulans). Cela mène régulièrement à la perte de l’activité et de l’intégrité des complexes ribonucléo-protéiques natifs. Dans ce travail, par l’utilisation de la technique de BN-PAGE, nous avons développé une procédure d’enrichissement de l’activité RNase P mitochondriale native, donnant un rendement raisonnable. Les fractions enrichies capables de cette activité enzymatique ont été analysées par LC/MS/MS et les résultats montrent que l’holoenzyme de la RNase P de chacune des fractions contient un nombre de protéines beaucoup plus grand que ce qui était connue. Nous suggérons une liste de protéines (principalement hypothétiques) qui accompagnent l’activité de la RNase P. IV De plus, la question de la localisation de la mtRNase P de A. nidulans a été étudiée, selon nos résultats, la majorité de la mtRNase P est attachée á la membrane interne de la mitochondrie. Sa solubilisation se fait par l’utilisation de différents types de détergent. Ces derniers permettent l’obtention d’un spectre de complexes de la RNase P de différentes tailles.

Effet de la RNase HI sur l’expression génique et sur le surenroulement de l’ADN chez Escherichia coli

Les R-loops générés durant la transcription sont impliqués dans de nombreuse fonctions incluant la réplication, la recombinaison et l’expression génique tant chez les procaryotes que chez les eucaryotes. Plusieurs études ont montré qu’un excès de supertours négatifs et des séquences riches en bases G induisent la formation de R-loops. Jusqu’à maintenant, nos résultats nous ont permis d’établir un lien direct entre les topoisomérases, le niveau de surenroulement et la formation de R-loops. Cependant, le rôle physiologique des R-loops est encore largement inconnu. Dans le premier article, une étude détaillée du double mutant topA rnhA a montré qu’une déplétion de RNase HI induit une réponse cellulaire qui empêche la gyrase d’introduire des supertours. Il s’agit ici, de la plus forte évidence supportant les rôles majeurs de la RNase HI dans la régulation du surenroulement de l’ADN. Nos résultats ont également montré que les R-loops pouvaient inhiber l’expression génique. Cependant, les mécanismes exacts sont encore mal connus. L’accumulation d’ARNs courts au détriment d’ARNs pleine longueur peut être causée soit par des blocages durant l’élongation de la transcription soit par la dégradation des ARNs pleine longueur. Dans le deuxième article, nous montrons que l’hypersurenroulement négatif peut mener à la formation de R-loops non-spécifiques (indépendants de la séquence nucléotidique). La présence de ces derniers, engendre une dégradation massive des ARNs et ultimement à la formation de protéines tronquées. En conclusion, ces études montrent l’évidence d’un lien étroit entre la RNase HI, la formation des R-loops, la topologie de l’ADN et l’expression génique. De plus, elles attestent de la présence d’un nouvel inhibiteur de gyrase ou d’un mécanisme encore inconnu capable de réguler son activité. Cette surprenante découverte est élémentaire sachant que de nombreux antibiotiques ciblent la gyrase. Finalement, ces études pourront servir également de base à des recherches similaires chez les cellules eucaryotes.

Yeast RNase III triggers polyadenylation-independent transcription termination

Transcription termination of messenger RNA (mRNA) is normally achieved by polyadenylation followed by Rat1p-dependent 5'-3' exoribonuleolytic degradation of the downstream transcript. Here we show that the yeast ortholog of the dsRNA-specific ribonuclease III (Rnt1p) may trigger Rat1p-dependent termination of RNA transcripts that fail to terminate near polyadenylation signals. Rnt1p cleavage sites were found downstream of several genes, and the deletion of RNT1 resulted in transcription readthrough. Inactivation of Rat1p impaired Rnt1p-dependent termination and resulted in the accumulation of 3' end cleavage products. These results support a model for transcription termination in which cotranscriptional cleavage by Rnt1p provides access for exoribonucleases in the absence of polyadenylation signals.

La RNase P mitochondriale chez Neurospora crassa

Résumé La Ribonucléase P (RNase P) est une enzyme principalement reconnue pour sa participation à la maturation en 5’des ARN de transfert (ARNt). Cependant, d’autres substrats sont reconnus par l’enzyme. En général, la RNase P est composée d’une sous-unité ARN (le P-ARN, codé par le gène rnpB) qui porte le centre actif de l’enzyme et d’une ou de plusieurs sous-unités protéiques (la P-protéine). Les P-ARN chez toutes les bactéries, la majorité des archéobactéries et dans le génome nucléaire de la plupart des eucaryotes, possèdent généralement une structure secondaire très conservée qui inclut le noyau (P1-P4); l’hélice P4 constitue le site catalytique de l’enzyme et l’hélice P1 apparie les extrémités du P-ARN en stabilisant sa structure globale. Les P-ARN mitochondriaux sont souvent moins conservés et difficiles à découvrir. Dans certains cas, les seules régions de structure primaire qui restent conservées sont celles qui définissent le P4 et le P1. Pour la détection des gènes rnpB, un outil de recherche bioinformatique, basé sur la séquence et le profil de structure secondaire, a été développé dans le laboratoire. Cet outil permet le dépistage de toutes les séquences eucaryotes (nucléaires et mitochondriales) du gène avec une très grande confiance (basée sur une valeur statistique, E-value). Chez les champignons, plusieurs ascomycètes encodent un gène rnpB dans leur génome mitochondrial y compris tous les membres du genre d’Aspergillus. Cependant, chez les espèces voisines, Neurospora crassa, Podospora anserina et Sordaria macrospora, une version mitochondriale de ce gène n’existe pas. Au lieu de cela, elles contiennent deux copies nucléaires du gène, légèrement différentes en taille et en contenu nucléotidique. Mon projet a été établi dans le but d’éclaircir l’évolution de la RNase P mitochondriale (mtRNase P) chez ces trois espèces voisines d’Aspergillus. En ce qui concerne les résultats, des modèles de structures secondaires pour les transcrits de ces gènes ont été construits en se basant sur la structure consensus universelle de la sous-unité ARN de la RNase P. Pour les trois espèces, par la comparaison de ces modèles, nous avons établi que les deux copies nucléaires du gène rnpB sont assez distinctes en séquence et en structure pour pouvoir y penser à une spécialisation de fonction de la RNase P. Chez N. crassa, les deux P-ARN sont modifiés probablement par une coiffe et les extrémités 5’, 3’ sont conformes à nos modèles, ayant un P1 allongé. Encore chez N. crassa, nous avons constaté que les deux copies sont transcrites au même niveau dans le cytoplasme et que la plus petite et la plus stable d’entre elles (Nc1) se retrouve dans l’extrait matriciel mitochondrial. Lors du suivi du P-ARN dans diverses sous-fractions provenant de la matrice mitochondriale soluble, Nc1 est associée avec l’activité de la RNase P. La caractérisation du complexe protéique, isolé à partir de la fraction active sur un gel non dénaturant, révèle qu’il contient au moins 87 protéines, 73 d’entre elles ayant déjà une localisation mitochondriale connue. Comme chez la levure, les protéines de ce complexe sont impliquées dans plusieurs fonctions cellulaires comme le processing de l’ADN/ARN, le métabolisme, dans la traduction et d’autres (par exemple : la protéolyse et le repliement des protéines, ainsi que la maintenance du génome mitochondrial). Pour trois protéines, leur fonction est non déterminée.