L´onconasa com a model per l´estudi de les bases moleculars de la citotoxicitat de les ribonucleases pancreàtiques. Aplicacions a la construcció de ribonucleases amb activitat antimicrobiana

La primera part d'aquest treball s´ha centrat en la caracterització i optimització del procés d'activació de l´onconasa recombinant per tal d'obtenir l´enzim igual a la forma nativa. Per això, les reaccions d'eliminació de la Met-1 i la ciclació de la Glu1, necessàries per generar el piroglutamic han estat seguides per MALDI-TOF MS. La segona part d´aquest treball s´ha centrat en l´estudi de la contribució del pont disulfur 30-75 de l´onconasa a les seves propietats biològiques. Els resultats suggereixen que el potencial redox del citosol cel·lular podria reduir el pont disulfur 30-75 de l´onconasa salvatge afectant la unió onconasa -inhibidor proteic de ribonucleases. La tercera part ha consistit en la construcció de variants de l´HP-RNasa i onconasa amb activitat bactericida. Per això, s´ha introduït el determinant bactericida (YRWR) descrit per la proteïna catiònica d'eosinòfils en els dos enzims. Els resultats obtinguts han evidenciat que les dues ribonucleases amb el determinant bactericida presenten activitat citotòxica contra bacteris gram-negatius preferentment.

Producció i caracterització de variants de la ribonucleasa pancreàtica humana dissenyades per a adquirir propietats citotòxiques

Amb la finalitat d'aprofundir en les bases moleculars de la citotoxicitat de les ribonucleases pancreàtiques, es van construir variants derivades de l'HP-RNasa seguint dues estratègies. En la primera, es van generar variants de l'enzim resistents a l'acció de l'inhibidor proteic de les ribonucleases (hRI), substituint residus implicats en la interfície de contacte entre la ribonucleasa i l'hRI. En la segona, es va addicionar el motiu RGD en regions de superfície de la proteïna implicades en la formació del complex amb l'hRI, a fi de promoure la seva interacció amb la membrana plasmàtica de les cèl·lules i a la vegada disminuir l'afinitat de les variants per l'hRI. Es va comprovar que només les variants portadores de substitucions múltiples adquirien la capacitat de resistència a l'hRI. L'estudi del percentatge d'inhibició de la síntesi proteica en cèl·lules incubades amb cadascuna de les variants va mostrar que només dues de les variants construïdes havien adquirit propietats citotòxiques. La citotoxicitat més elevada la va presentar una variant que no era resistent a l'hRI, amb valors que eren només entre 5 i 15 vegades inferiors als de l'onconasa. Aquest resultat demostrà que la sensibilitat a l'hRI no és necessàriament un paràmetre limitant per a la citotoxicitat de les ribonucleases. Cap de les variants que incorporava un motiu RGD presentà citotoxicitat, evidenciant que aquest motiu no és efectiu a fi de dotar les ribonucleases pancreàtiques de propietats citotòxiques. Es van estudiar les bases moleculars de la citotoxicitat de la variant més citotòxica. En primer lloc, l'anàlisi de la internalització per marcatge radioactiu d'aquesta variant en relació amb l'onconasa i amb altres variants de l'HP-RNasa no citotòxiques, va posar en evidència que només l'onconasa era internalitzada eficientment. Es descartava així la possibilitat que l'acció citotòxica de l'enzim estudiat fos conseqüència d'una major eficiència d'endocitosi. També es va comprovar que l'addició del motiu RGD no era capaç de promoure la internalització de les proteïnes amb més eficàcia. Per microscòpia confocal de fluorescència, les variants humanes només es van començar a detectar a l'interior de la cèl·lula a partir de les 24 h d'incubació. Totes les variants generades van presentar una eficiència catalítica superior al 50 % de l'activitat de la seva proteïna parental, PM5, indicant que probablement l'estructura del centre actiu no havia estat afectada de manera dràstica per les substitucions introduïdes. No obstant, en tots els casos es va produir una disminució en la termoestabilitat respecte a PM5. Aquest resultat indicà que la correlació descrita a la bibliografia entre l'increment de termoestabilitat i l'increment de citotoxicitat per les ribonucleases no sempre es compleix. Per microscòpia confocal es va comprovar que tant la proteïna més citotòxica, com una variant no citotòxica resistent a l'hRI, així com la proteïna parental, seguien la via de degradació lisosomal. Aquesta ruta de trànsit no va ser afectada per l'addició de drogues que alteren les vies de trànsit retrògrad (monensina i brefeldina A), però sí per l'addició de la bafilomicina A1, una droga que neutralitza el pH endosomal i que va actuar alentint el trànsit de les proteïnes als lisosomes. D'acord amb aquests resultats, els valors de citotoxicitat de les variants es van incrementar de manera significativa només en presència de bafilomicina A1, suggerint que les ribonucleases transloquen al citoplasma a partir d'algun punt de la via de trànsit endosomal. Es va comprovar que l'acció de la variant més citotòxica era deguda a que l'addició d'un segon motiu de tres Arg en PE5 dota a aquesta proteïna amb un senyal de transport nuclear. La fracció d'enzim que aconsegueix translocar al citoplasma a partir d'algun punt de la via endosomal previ als lisosomes, és conduït ràpidament al nucli de la cèl·lula per mitjà del mecanisme clàssic de transport actiu. Per la seva afinitat amb l'rRNA, l'enzim es concentra en el nuclèol, on probablement duu a terme la seva activitat catalítica. La interacció d'aquesta variant amb els receptors nucleocitoplasmàtics, les importines, impediria per altra banda el bloqueig de l'enzim per part de l'hRI. Els resultats obtinguts presenten una nova estratègia de disseny de ribonucleases citotòxiques, basada en l'addició de segments NLS a fi de promoure el transport nuclear dels enzims. Aquesta estratègia podria permetre superar limitacions que fins al moment han estat descrites com a limitants de la citotoxicitat de les ribonucleases pancreàtiques, com la sensibilitat a l'hRI o la baixa eficiència d'internalització.

Thermolabile ribonucleases from antarctic psychrotrophic bacteria: detection of the enzyme in various bacteria and purification from Pseudomonas fluorescens

Thirteen terrestrial psychrotrophic bacteria from Antarctica were screened for the presence of a thermolabile ribonuclease (RNAase-HL). The enzyme was detected in three isolates of Pseudomonas fluorescens and one isolate of Pseudomonas syringae. It was purified from one P. Fluorescens isolate and the molecular mass of the enzyme as determined by SDS-PAGE was 16 kDa. RNAase-HL exhibited optimum activity around 40 degrees C at pH 7.4. It could hydrolyse Escherichia coli RNA and the synthetic substrates poly(A), poly(C), poly(U) and poly(A-U). Unlike the crude RNAase from mesophilic P. Fluorescens and pure bovine pancreatic RNAase A which were active even at 65 degrees C, RNAase-HL was totally and irreversibly inactivated at 65 degrees C.

The Role of Small RNAs and Ribonucleases in the Control of Gene Expression in Salmonella Typhimurium

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Biology

Caracterització estructural de Ribonucleases humanes

Les dues proteïnes estudiades en aquest treball (ECP o RNasa 3 i RNasa 1ΔN7) pertanyen a la superfamília de la RNasa A i resulten d'especial interès per la seva potencial aplicació en la teràpia i/o diagnòstic del càncer. A més de la seva capacitat ribonucleolítica, l'ECP presenta d'altres activitats, com l'antibacteriana, l'helmintotòxica o la citotòxica contra cèl·lules i teixits de mamífers. Per la RNasa 1 de tipus pancreàtic expressada per les cèl·lules endotelials humanes també s'ha proposat un paper defensiu. La RNasa 1ΔN7, en canvi, no presenta aquest tipus d'accions biològiques, si bé cal destacar la menor afinitat que exhibeix enfront el seu inhibidor específic en relació a d'altres membres de la família. Tant l'ECP com la RNasa 1ΔN7 s'han cristal·litzat emprant la tècnica de la difusió de vapor en gotes penjants, i s'han determinat les seves estructures tridimensionals (3D) mitjançant el mètode del reemplaçament molecular. Per l'afinament de les estructures s'han usat dades fins a 1,75 i 1,90 Å respectivament. Ambdòs molècules exhibeixen el plegament típic  +  que caracteritza a tots els membres de la superfamília de la RNasa A. Tanmateix, les diferències que mostren en comparació amb l'estructura d'altres RNases permeten explicar, d'una banda, la baixa activitat ribonucleolítica d'aquests enzims i, de l'altra, les seves peculiaritats funcionals.

Characterization of cytotoxic ribonucleases: from the internalization pathway to the importance of dimeric structures

En aquesta tesi s'ha caracteritzat la ruta d'internalització de l'onconasa, una RNasa citotòxica. Els resultats indiquen que l'onconasa entra a les cèl·lules per la via dependent de clatrina i del complex AP-2. Seguidament es dirigeix als endosomes de reciclatge i es a través d'aquesta ruta que la proteïna exerceix la citotoxicitat. Per altra banda, els resultats d'aquest treball demostren que PE5, una variant citotòxica de la ribonucleasa pancreàtica humana (HP-RNasa), interacciona amb la importina  mitjançant diferents residus que tot i que no són seqüencials, es troben propers en l'estructura tridimensional d'aquesta proteïna. PM8 és una HP-RNasa amb estructura cristal·logràfica dimèrica constituïda per intercanvi de dominis N-terminals. En aquesta tesi s'han establert les condicions per estabilitzar aquest dimer en solució i també es proposa un mecanisme per la dimerització.

Swapping structural determinants of ribonucleases: an energetic analysis of the hinge peptide 16-22.

Bovine seminal ribonuclease (BS-RNase) is a homodimeric enzyme strictly homologous to the pancreatic ribonuclease (RNase A). Native BS-RNase is an equilibrium mixture of two distinct dimers differing in the interchange of the N-terminal segments and in their biological properties. The loop 16-22 plays a fundamental role on the relative stability of the two isomers. Both the primary and tertiary structures of the RNase A differ substantially from those of the seminal ribonuclease in the loop region 16-22. To analyze the possible stable conformations of this loop in both enzymes, structure predictions have been attempted, according to a procedure described by Palmer and Scheraga [Palmer, K. A. & Scheraga, H. A. (1992) J. Comput. Chem. 13, 329-350]. Results compare well with experimental x-ray structures and clarify the structural determinants that are responsible for the swapping of the N-terminal domains and for the peculiar properties of BS-RNase. Minimal modifications of RNase A sequence needed to form a stable swapped dimer are also predicted.

RNA interference-inducing hairpin RNAs in plants act through the viral defence pathway

RNA interference (RNAi) is widely used to silence genes in plants and animals. It operates through the degradation of target mRNA by endonuclease complexes guided by approximately 21 nucleotide (nt) short interfering RNAs (siRNAs). A similar process regulates the expression of some developmental genes through approximately 21 nt microRNAs. Plants have four types of Dicer-like (DCL) enzyme, each producing small RNAs with different functions. Here, we show that DCL2, DCL3 and DCL4 in Arabidopsis process both replicating viral RNAs and RNAi-inducing hairpin RNAs (hpRNAs) into 22-, 24- and 21 nt siRNAs, respectively, and that loss of both DCL2 and DCL4 activities is required to negate RNAi and to release the plant's repression of viral replication. We also show that hpRNAs, similar to viral infection, can engender long-distance silencing signals and that hpRNA-induced silencing is suppressed by the expression of a virus-derived suppressor protein. These findings indicate that hpRNA-mediated RNAi in plants operates through the viral defence pathway.

Gene silencing as an adaptive defence against viruses

Gene silencing was perceived initially as an unpredictable and inconvenient side effect of introducing transgenes into plants. It now seems that it is the consequence of accidentally triggering the plant's adaptive defence mechanism against viruses and transposable elements. This recently discovered mechanism, although mechanistically different, has a number of parallels with the immune system of mammals.

Viruses face a double defense by plant small RNAs

Plants fight viral infections with enzymes that digest viral RNA, but viruses retaliate with proteins that suppress these enzymes. To boost their antiviral response plants deploy enzymes with redundant functions.

Nucleotide-sequence of 5S RNA from mycobacterium-smegmatis

32P labelled 5S RNA isolated fromMycobacterium smegmatis was digested withT 1 and pancreatic ribonucleases separately and fingerprinted by two dimensional high voltage electrophoresis on thin-layer DEAE-cellulose plates. The radioactive spots were sequenced and their molar yields were determined. The chain length of the 5S RNA was found to be 120. It showed resemblances to both prokaryotic and eukaryotic 5S RNAs.

On the structural alterations of phage proteins synthesized in the presence of pancreatic ribonuclease.

Journal Article

Chronic cough in children: bronchoalveolar lavage findings

Isolated chronic cough in childhood is a common complaint. Although the symptom cough is included in the definition of clildhood asthma, there is debate as to whether the majoritv of these children have asthma. The authors studied children with isolated chronic cough looking for evidence of airway inflammation typical of asthma, with increased numbers of airway eosinophils as assessed from bronchoalveolar lavage (BAL).

The investigations were carried out on 23 children (median age: 6.7 yrs; range: 1.7-12.75 yrs), attending the Royal Belfast Hospital for Sick Children for elective surgery, who also had a chronic unexplained cough. Written informed consent was obtained from the parent(s) and a nonbronchoscopic BAL was performed. BAL samples were analysed for total and differential white cell counts and also for the inflammatory mediators, eosinophil cationic protein (ECP) and histamine. Results were compared with a group of normal nonatopic children and also a group of atopic asthmatic children, who had been recruited for other studies on airway inflammation.

There was a small but statistically significant increase in BAL percentage eosinophils in the children with chronic cough compared with nonasthmatic controls (0.28% versus 0.10%, p=0.03). However, the children with cough had lower percentage eosinophils than the atopic asthmatic controls (0.28% versus 0.66%, p=0.01). Three out of 23 children with chronic cough had BAL eosinophils greater than the normal upper 95% reference interval in BAL. There was a small but statistically significant increase in percentage neutrophils in the children with cough compared with the nonasthmatic controls (5.85% versus 3.21%, p=0.03). Four out of the 23 children had BAL neutrophils greater than the normal upper 95% reference interval in BAL.

The authors conclude that only a minority of children with chronic unexplained cough have asthmatic-type airway inflammation. It is speculated that the increased percentage neutrophils in bronchoalveolar lavage from children with cough could relate to underlying persistent airways infection.

Quantification of malondialdehyde and 4-hydroxynonenal adducts to lysine residues in native and oxidized human low-density lipoprotein

Malondialdehyde (MDA) and 4-hydroxynonenal (HNE) are major end-products of oxidation of polyunsaturated fatty acids, and are frequently measured as indicators of lipid peroxidation and oxidative stress in vivo. MDA forms Schiff-base adducts with lysine residues and cross-links proteins in vitro; HNE also reacts with lysines, primarily via a Michael addition reaction. We have developed methods using NaBH4 reduction to stabilize these adducts to conditions used for acid hydrolysis of protein, and have prepared reduced forms of lysine-MDA [3-(N epsilon-lysino)propan-1-ol (LM)], the lysine-MDA-lysine iminopropene cross-link [1,3-di(N epsilon-lysino)propane (LML)] and lysine-HNE [3-(N epsilon-lysino)-4-hydroxynonan-l-ol (LHNE)]. Gas chromatography/MS assays have been developed for quantification of the reduced compounds in protein. RNase incubated with MDA or HNE was used as a model for quantification of the adducts by gas chromatography/MS. There was excellent agreement between measurement of MDA bound to RNase as LM and LML, and as thiobarbituric acid-MDA adducts measured by HPLC; these adducts accounted for 70-80% of total lysine loss during the reaction with MDA. LM and LML (0.002-0.12 mmol/ mol of lysine) were also found in freshly isolated low-density lipoprotein (LDL) from healthy subjects. LHNE was measured in RNase treated with HNE, but was not detectable in native LDL. LM, LML and LHNE increased in concert with the formation of conjugated dienes during the copper-catalysed oxidation of LDL, but accounted for modification of <1% of lysine residues in oxidized LDL. These results are the first report of direct chemical measurement of MDA and HNE adducts to lysine residues in LDL. LM, LML and LHNE should be useful as biomarkers of lipid peroxidative modification of protein and of oxidative stress in vitro and in vivo.