Structural aspects of the ribosome evolution and function

Les résultats ont été obtenus avec le logiciel "Insight-2" de Accelris (San Diego, CA)

An intergenic non-coding RNA targets and regulates the ribosome in H. volcanii.

As translation is the final step in gene expression it is particularly important to understand the processes involved in translation regulation. It was shown in the last years that a class of RNA, the nonprotein-coding RNAs (ncRNAs), is involved in regulation of gene expression via various mechanisms (e.g. gene silencing by microRNAs). Almost all of these ncRNA discovered so far target the mRNA in order to modulate protein biosynthesis, this is rather unexpected considering the crucial role of the ribosome during gene expression. However, recent data from our laboratory showed that there is a new class of ncRNAs, which target the ribosome itself [Gebetsberger et al., 2012/ Pircher et al, 2014]. These so called ribosome-associated ncRNAs (rancRNAs) have an impact on translation regulation, mainly by interfering / modulating the rate of protein biosynthesis. The main goal of this project is to identify and describe novel potential regulatory rancRNAs in H. volcanii with the focus on intergenic candidates. Northern blot analyses already revealed interactions with the ribosome and showed differential expression of rancRNAs during different growth phases or under specific stress conditions. To investigate the biological relevance of these rancRNAs, knock-outs were generated in H. volcanii which were used for phenotypic characterization studies. The rancRNA s194 showed association with the 50S ribosomal subunit in vitro and in vivo and was capable of inhibiting peptide bond formation. These preliminary data for the rancRNA s194 make it an interesting candidate for further functional studies to identify the molecular mechanisms by which rancRNAs can modulate protein biosynthesis. Characterization of further rancRNA candidates are also underway.

Le motif d’empaquetage le long du sillon: une nouvelle entité structurale récurrente dans les ARN ribosomiques

La plupart des molécules d’ARN doivent se replier en structure tertiaire complexe afin d’accomplir leurs fonctions biologiques. Cependant, les déterminants d’une chaîne de polynucléotides qui sont nécessaires à son repliement et à ses interactions avec d’autres éléments sont essentiellement inconnus. L’établissement des relations structure-fonction dans les grandes molécules d’ARN passe inévitablement par l’analyse de chaque élément de leur structure de façon individuelle et en contexte avec d’autres éléments. À l’image d’une construction d’immeuble, une structure d’ARN est composée d’unités répétitives assemblées de façon spécifique. Les motifs récurrents d’ARN sont des arrangements de nucléotides retrouvés à différents endroits d’une structure tertiaire et possèdent des conformations identiques ou très similaires. Ainsi, une des étapes nécessaires à la compréhension de la structure et de la fonction des molécules d’ARN consiste à identifier de façon systématique les motifs récurrents et d’en effectuer une analyse comparative afin d’établir la séquence consensus. L’analyse de tous les cas d’empaquetage de doubles hélices dans la structure du ribosome a permis l’identification d’un nouvel arrangement nommé motif d’empaquetage le long du sillon (AGPM) (along-groove packing motif). Ce motif est retrouvé à 14 endroits dans la structure du ribosome de même qu’entre l’ARN ribosomique 23S et les molécules d’ARN de transfert liées aux sites ribosomaux P et E. Le motif se forme par l’empaquetage de deux doubles hélices via leur sillon mineur. Le squelette sucre-phosphate d’une hélice voyage le long du sillon mineur de l’autre hélice et vice versa. Dans chacune des hélices, la région de contact comprend quatre paires de bases. L’empaquetage le plus serré est retrouvé au centre de l’arrangement où l’on retrouve souvent une paire de bases GU dans une hélice interagissant avec une paire de bases Watson-Crick (WC) dans l’autre hélice. Même si la présence des paires de bases centrales GU versus WC au centre du motif augmente sa stabilité, d’autres alternatives existent pour différents représentants du motif. L’analyse comparative de trois librairies combinatoires de gènes d’AGPM, où les paires de bases centrales ont été variées de manière complètement aléatoire, a montré que le contexte structural influence l’étendue de la variabilité des séquences de nucléotides formant les paires de bases centrales. Le fait que l’identité des paires de bases centrales puisse varier suggérait la présence d’autres déterminants responsables au maintien de l’intégrité du motif. L’analyse de tous les contacts entre les hélices a révélé qu’en dehors du centre du motif, les interactions entre les squelettes sucre-phosphate s’effectuent via trois contacts ribose-ribose. Pour chacun de ces contacts, les riboses des nucléotides qui interagissent ensemble doivent adopter des positions particulières afin d’éviter qu’ils entrent en collision. Nous montrons que la position de ces riboses est modulée par des conformations spécifiques des paires de bases auxquelles ils appartiennent. Finalement, un autre motif récurrent identifié à l’intérieur même de la structure de trois cas d’AGPM a été nommé « adenosine-wedge ». Son analyse a révélé que ce dernier est lui-même composé d’un autre arrangement, nommé motif triangle-NAG (NAG-triangle). Nous montrons que le motif « adenosine-wedge » représente un arrangement complexe d’ARN composé de quatre éléments répétitifs, c’est-à-dire des motifs AGPM, « hook-turn », « A-minor » et triangle-NAG. Ceci illustre clairement l’arrangement hiérarchique des structures d’ARN qui peut aussi être observé pour d’autres motifs d’ARN. D’un point de vue plus global, mes résultats enrichissent notre compréhension générale du rôle des différents types d’interactions tertiaires dans la formation des molécules d’ARN complexes.

RNA recurrent motifs : identification and characterization

La détermination de la structure tertiaire du ribosome fut une étape importante dans la compréhension du mécanisme de la synthèse des protéines. Par contre, l’élucidation de la structure du ribosome comme tel ne permet pas une compréhension de sa fonction. Pour mieux comprendre la nature des relations entre la structure et la fonction du ribosome, sa structure doit être étudiée de manière systématique. Au cours des dernières années, nous avons entrepris une démarche systématique afin d’identifier et de caractériser de nouveaux motifs structuraux qui existent dans la structure du ribosome et d’autres molécules contenant de l’ARN. L’analyse de plusieurs exemples d’empaquetage de deux hélices d’ARN dans la structure du ribosome nous a permis d’identifier un nouveau motif structural, nommé « G-ribo ». Dans ce motif, l’interaction d’une guanosine dans une hélice avec le ribose d’un nucléotide d’une autre hélice donne naissance à un réseau d’interactions complexes entre les nucléotides voisins. Le motif G-ribo est retrouvé à 8 endroits dans la structure du ribosome. La structure du G-ribo possède certaines particularités qui lui permettent de favoriser la formation d’un certain type de pseudo-nœuds dans le ribosome. L’analyse systématique de la structure du ribosome et de la ARNase P a permis d’identifier un autre motif structural, nommé « DTJ » ou « Double-Twist Joint motif ». Ce motif est formé de trois courtes hélices qui s’empilent l’une sur l’autre. Dans la zone de contact entre chaque paire d’hélices, deux paires de bases consécutives sont surenroulées par rapport à deux paires de bases consécutives retrouvées dans l’ARN de forme A. Un nucléotide d’une paire de bases est toujours connecté directement à un nucléotide de la paire de bases surenroulée, tandis que les nucléotides opposés sont connectés par un ou plusieurs nucléotides non appariés. L’introduction d’un surenroulement entre deux paires de bases consécutives brise l’empilement entre les nucléotides et déstabilise l’hélice d’ARN. Dans le motif DTJ, les nucléotides non appariés qui lient les deux paires de bases surenroulées interagissent avec une des trois hélices qui forment le motif, offrant ainsi une stratégie élégante de stabilisation de l’arrangement. Pour déterminer les contraintes de séquences imposées sur la structure tertiaire d’un motif récurrent dans le ribosome, nous avons développé une nouvelle approche expérimentale. Nous avons introduit des librairies combinatoires de certains nucléotides retrouvés dans des motifs particuliers du ribosome. Suite à l’analyse des séquences alternatives sélectionnées in vivo pour différents représentants d’un motif, nous avons été en mesure d’identifier les contraintes responsables de l’intégrité d’un motif et celles responsables d’interactions avec les éléments qui forment le contexte structural du motif. Les résultats présentés dans cette thèse élargissent considérablement notre compréhension des principes de formation de la structure d’ARN et apportent une nouvelle façon d’identifier et de caractériser de nouveaux motifs structuraux d’ARN.

Structural rules for the formation of backbone-backbone interactions between closely packed RNA double helices

Les interactions entre les squelettes sucre-phosphate de nucléotides jouent un rôle important dans la stabilisation des structures tertiaires de larges molécules d’ARN. Elles sont régies par des règles particulières qui gouverne leur formation mais qui jusque là demeure quasiment inconnues. Un élément structural d’ARN pour lequel les interactions sucre-phosphate sont importantes est le motif d’empaquetage de deux doubles hélices d’ARN le long du sillon mineur. Ce motif se trouve à divers endroits dans la structure du ribosome. Il consiste en deux doubles hélices interagissant de manière à ce que le squelette sucre-phosphate de l’une se niche dans le sillon mineur de l’autre et vice versa. La surface de contact entre les deux hélices est majoritairement formée par les riboses et implique au total douze nucléotides. La présente thèse a pour but d’analyser la structure interne de ce motif et sa dépendance de stabilité résultant de l’association optimale ou non des hélices, selon leurs séquences nucléotidiques. Il est démontré dans cette thèse qu’un positionnement approprié des riboses leur permet de former des contacts inter-hélices, par l’entremise d’un choix particulier de l’identité des pairs de bases impliquées. Pour différentes pairs de bases participant à ce contact inter-hélices, l’identité optimale peut être du type Watson-Crick, GC/CG, or certaines pairs de bases non Watson-Crick. Le choix adéquat de paires de bases fournit une interaction inter-hélice stable. Dans quelques cas du motif, l’identité de certaines paires de bases ne correspond pas à la structure la plus stable, ce qui pourrait refléter le fait que ces motifs devraient avoir une liberté de formation et de déformation lors du fonctionnement du ribosome.

X-ray Structure of Gelonin at 1.8 Å Resolution

Gelonin is a single chain ribosome inactivating protein (RIP) with potential application in the treatment of cancer and AIDS. Diffraction quality crystals grown using PEG3350, belong to the space group P2(1), with it a = 49.4 Angstrom b = 44.9 Angstrom, c = 137.4 Angstrom and beta = 98.4 degrees, and contain two molecules in the asymmetric unit. Diffraction data collected to 1.8 Angstrom resolution has a R(m) value of 7.3%. Structure of gelonin has been solved by the molecular replacement method, using ricin A chain as the search model. Crystallographic refinement using X-PLOR resulted in a model for which the r.m.s deviations from ideal bond lengths and bond angles are 0.012 Angstrom and 2.7 degrees, respectively The final R-factor is 18.4% for 39,806 reflections for which I > 1.0 sigma(I).The C-alpha atoms of the two molecules in the asymmetric unit superpose to within 0.38 Angstrom for 247 atom pairs. The overall fold of gelonin is similar to that of other RIPs such as ricin A chain and alpha-momorcharin, the r.m.s.d. for C-alpha superpositions being 1.3 and 1.4 Angstrom, respectively The-catalytic residues (Glu166, Arg169 and Tyr113) in the active site form a hydrogen bond scheme similar to that observed in other RIPs. The conformation of Tyr74 in the active site, however, is significantly different from that in alpha-momorcharin. Three well defined water molecules are located in the active site cavity and one of them, X319, superposes to within 0.2 Angstrom of a corresponding water molecule in the structure of alpha-momorcharin. Any of the three could be the substrate water molecule in the hydrolysis reaction catalysed by gelonin.Difference electron density for a N-linked sugar moiety has been observed near only one of the two potential glycosylation sites in the sequence. The amino acid at position 239 has been established as Lys by calculation of omit electron density maps.The two cysteine residues in the sequence, Cys44 and Cys50, form a disulphide bond, and are therefore not available for disulphide conjugation with antibodies. Based on the structure, the region of the molecule that is involved in intradimer interactions is suggested to be suitable for introducing a Cys residue for purposes of conjugation with an antibody to produce useful immunotoxins.

Effect of mutations on the p53 IRES RNA structure Implications for de-regulation of the synthesis of p53 isoforms

Earlier we have demonstrated the presence of internal ribosome entry site (IRES) within tumor suppressor p53 mRNA. Here we have mapped the putative secondary structure of p53-IRES RNA using information from chemical probing and nuclease mapping experiments. Additionally, the secondary structure of the IRES element of the wild-type RNA was compared with cancer-derived silent mutant p53 RNAs. These mutations might result in the conformational alterations of p53-IRES RNAs. The results also indicate decreased IRES activities of the mutants as compared to wild-type RNA. Further, it was observed that some of the cytoplasmic trans-acting factors, critical for enhancing IRES function, were unable to bind mutant RNAs as efficiently as to wild-type. Our results suggest that hnRNP C1/C2 binds to p53-IRES and siRNA mediated partial silencing of hnRNP C1/C2 showed appreciable decrease in IRES function and consequent decrease in the level of the corresponding p53 isoform. Interestingly mutant p53 IRES showed lesser binding with hnRNP C1/C2 protein. Finally, upon doxorubicin treatment, the mutant RNAs were unable to show enhanced p53 synthesis to similar extent compared to wild type. Taken together, these observations suggest that mutations occurring in the p53 IRES might have profound implications for de-regulation of its expression and activity.

Targeting ribosome assembly on the HCV RNA using a small RNA molecule

Translation initiation of hepatitis C virus (HCV) RNA is the initial obligatory step of the viral life cycle, mediated through the internal ribosome entry site (IRES) present in the 5'-untranslated region (UTR). Initiation on the HCV IRES is mediated by multiple structure-specific interactions between IRES RNA and host 40S ribosomal subunit. In the present study we demonstrate that the SLIIIef domain, in isolation from other structural elements of HCV IRES, retain the ability to interact with 40S ribosome subunit. A small RNA SLRef, mimicking the SLIIIef domain was found to interact specifically with human La protein and the ribosomal protein S5 and selectively inhibit HCV RNA translation. More importantly, SLRef RNA showed significant suppression of replication in HCV monocistronic replicon and decrease of negative strand synthesis in HCV cell culture system. Finally, using Sendai virus based virosome, the targeted delivery of SLRef RNA into mice liver succeeded in selectively inhibiting HCV IRES mediated translation in vivo.

The sequence and structure of snake gourd (Trichosanthes anguina) seed lectin, a three-chain nontoxic homologue of type II RIPs

The sequence and structure of snake gourd seed lectin (SGSL), a nontoxic homologue of type II ribosome-inactivating proteins (RIPs), have been determined by mass spectrometry and X-ray crystallography, respectively. As in type II RIPs, the molecule consists of a lectin chain made up of two beta-trefoil domains. The catalytic chain, which is connected through a disulfide bridge to the lectin chain in type II RIPs, is cleaved into two in SGSL. However, the integrity of the three-dimensional structure of the catalytic component of the molecule is preserved. This is the first time that a three-chain RIP or RIP homologue has been observed. A thorough examination of the sequence and structure of the protein and of its interactions with the bound methyl-alpha-galactose indicate that the nontoxicity of SGSL results from a combination of changes in the catalytic and the carbohydrate-binding sites. Detailed analyses of the sequences of type II RIPs of known structure and their homologues with unknown structure provide valuable insights into the evolution of this class of proteins. They also indicate some variability in carbohydrate-binding sites, which appears to contribute to the different levels of toxicity exhibited by lectins from various sources.

Molecular flexibility of Mycobacterium tuberculosis ribosome recycling factor and its functional consequences: An exploration involving mutants

Internal mobility of the two domain molecule of ribosome recycling factor (RRF) is known to be important for its action. Mycobacterium tuberculosis RRF does not complement E. coli for its deficiency of RRF (in the presence of E. coli EF-G alone). Crystal structure had revealed higher rigidity of the M. tuberculosis RRF due to the presence of additional salt bridges between domains. Two inter-domain salt bridges and one between the linker region and the domain containing C-terminal residues were disrupted by appropriate mutations. Except for a C-terminal deletion mutant, all mutants showed RRF activity in E. coli when M. tuberculosis EF-G was also co-expressed. The crystal structures of the point mutants, that of the C-terminal deletion mutant and that of the protein grown in the presence of a detergent, were determined. The increased mobility resulting from the disruption of the salt bridge involving the hinge region allows the appropriate mutant to weakly complement E. coli for its deficiency of RRF even in the absence of simultaneous expression of the mycobacterial EF-G. The loss of activity of the C-terminal deletion mutant appears to be partly due to the rigidification of the molecule consequent to changes in the hinge region.

The beta hairpin structure within ribosomal protein S5 mediates interplay between domains II and IV and regulates HCV IRES function

Translation initiation in Hepatitis C Virus (HCV) is mediated by Internal Ribosome Entry Site (IRES), which is independent of cap-structure and uses a limited number of canonical initiation factors. During translation initiation IRES-40S complex formation depends on high affinity interaction of IRES with ribosomal proteins. Earlier, it has been shown that ribosomal protein S5 (RPS5) interacts with HCV IRES. Here, we have extensively characterized the HCV IRES-RPS5 interaction and demonstrated its role in IRES function. Computational modelling and RNA-protein interaction studies demonstrated that the beta hairpin structure within RPS5 is critically required for the binding with domains II and IV. Mutations disrupting IRES-RPS5 interaction drastically reduced the 80S complex formation and the corresponding IRES activity. Computational analysis and UV cross-linking experiments using various IRES-mutants revealed interplay between domains II and IV mediated by RPS5. In addition, present study demonstrated that RPS5 interaction is unique to HCV IRES and is not involved in 40S-3 ` UTR interaction. Further, partial silencing of RPS5 resulted in preferential inhibition of HCV RNA translation. However, global translation was marginally affected by partial silencing of RPS5. Taken together, results provide novel molecular insights into IRES-RPS5 interaction and unravel its functional significance in mediating internal initiation of translation.

The Cryo-EM Structure of a Complete 30S Translation Initiation Complex from Escherichia coli

11 p.

Quantification de la relation séquence-activité de l’ARN par prédiction de structure tridimensionnelle

Dans un premier temps, nous avons modélisé la structure d’une famille d’ARN avec une grammaire de graphes afin d’identifier les séquences qui en font partie. Plusieurs autres méthodes de modélisation ont été développées, telles que des grammaires stochastiques hors-contexte, des modèles de covariance, des profils de structures secondaires et des réseaux de contraintes. Ces méthodes de modélisation se basent sur la structure secondaire classique comparativement à nos grammaires de graphes qui se basent sur les motifs cycliques de nucléotides. Pour exemplifier notre modèle, nous avons utilisé la boucle E du ribosome qui contient le motif Sarcin-Ricin qui a été largement étudié depuis sa découverte par cristallographie aux rayons X au début des années 90. Nous avons construit une grammaire de graphes pour la structure du motif Sarcin-Ricin et avons dérivé toutes les séquences qui peuvent s’y replier. La pertinence biologique de ces séquences a été confirmée par une comparaison des séquences d’un alignement de plus de 800 séquences ribosomiques bactériennes. Cette comparaison a soulevée des alignements alternatifs pour quelques unes des séquences que nous avons supportés par des prédictions de structures secondaires et tertiaires. Les motifs cycliques de nucléotides ont été observés par les membres de notre laboratoire dans l'ARN dont la structure tertiaire a été résolue expérimentalement. Une étude des séquences et des structures tertiaires de chaque cycle composant la structure du Sarcin-Ricin a révélé que l'espace des séquences dépend grandement des interactions entre tous les nucléotides à proximité dans l’espace tridimensionnel, c’est-à-dire pas uniquement entre deux paires de bases adjacentes. Le nombre de séquences générées par la grammaire de graphes est plus petit que ceux des méthodes basées sur la structure secondaire classique. Cela suggère l’importance du contexte pour la relation entre la séquence et la structure, d’où l’utilisation d’une grammaire de graphes contextuelle plus expressive que les grammaires hors-contexte. Les grammaires de graphes que nous avons développées ne tiennent compte que de la structure tertiaire et négligent les interactions de groupes chimiques spécifiques avec des éléments extra-moléculaires, comme d’autres macromolécules ou ligands. Dans un deuxième temps et pour tenir compte de ces interactions, nous avons développé un modèle qui tient compte de la position des groupes chimiques à la surface des structures tertiaires. L’hypothèse étant que les groupes chimiques à des positions conservées dans des séquences prédéterminées actives, qui sont déplacés dans des séquences inactives pour une fonction précise, ont de plus grandes chances d’être impliqués dans des interactions avec des facteurs. En poursuivant avec l’exemple de la boucle E, nous avons cherché les groupes de cette boucle qui pourraient être impliqués dans des interactions avec des facteurs d'élongation. Une fois les groupes identifiés, on peut prédire par modélisation tridimensionnelle les séquences qui positionnent correctement ces groupes dans leurs structures tertiaires. Il existe quelques modèles pour adresser ce problème, telles que des descripteurs de molécules, des matrices d’adjacences de nucléotides et ceux basé sur la thermodynamique. Cependant, tous ces modèles utilisent une représentation trop simplifiée de la structure d’ARN, ce qui limite leur applicabilité. Nous avons appliqué notre modèle sur les structures tertiaires d’un ensemble de variants d’une séquence d’une instance du Sarcin-Ricin d’un ribosome bactérien. L’équipe de Wool à l’université de Chicago a déjà étudié cette instance expérimentalement en testant la viabilité de 12 variants. Ils ont déterminé 4 variants viables et 8 létaux. Nous avons utilisé cet ensemble de 12 séquences pour l’entraînement de notre modèle et nous avons déterminé un ensemble de propriétés essentielles à leur fonction biologique. Pour chaque variant de l’ensemble d’entraînement nous avons construit des modèles de structures tertiaires. Nous avons ensuite mesuré les charges partielles des atomes exposés sur la surface et encodé cette information dans des vecteurs. Nous avons utilisé l’analyse des composantes principales pour transformer les vecteurs en un ensemble de variables non corrélées, qu’on appelle les composantes principales. En utilisant la distance Euclidienne pondérée et l’algorithme du plus proche voisin, nous avons appliqué la technique du « Leave-One-Out Cross-Validation » pour choisir les meilleurs paramètres pour prédire l’activité d’une nouvelle séquence en la faisant correspondre à ces composantes principales. Finalement, nous avons confirmé le pouvoir prédictif du modèle à l’aide d’un nouvel ensemble de 8 variants dont la viabilité à été vérifiée expérimentalement dans notre laboratoire. En conclusion, les grammaires de graphes permettent de modéliser la relation entre la séquence et la structure d’un élément structural d’ARN, comme la boucle E contenant le motif Sarcin-Ricin du ribosome. Les applications vont de la correction à l’aide à l'alignement de séquences jusqu’au design de séquences ayant une structure prédéterminée. Nous avons également développé un modèle pour tenir compte des interactions spécifiques liées à une fonction biologique donnée, soit avec des facteurs environnants. Notre modèle est basé sur la conservation de l'exposition des groupes chimiques qui sont impliqués dans ces interactions. Ce modèle nous a permis de prédire l’activité biologique d’un ensemble de variants de la boucle E du ribosome qui se lie à des facteurs d'élongation.

The crystal structure of the leptospiral hypothetical protein LIC12922 reveals homology with the periplasmic chaperone SurA

Leptospirosis is a world spread zoonosis caused by members of the genus Leptospira. Although leptospires were identified as the causal agent of leptospirosis almost 100 years ago, little is known about their biology, which hinders the development of new treatment and prevention strategies. One of the several aspects of the leptospiral biology not yet elucidated is the process by which outer membrane proteins (OMPs) traverse the periplasm and are inserted into the outer membrane. The crystal structure determination of the conserved hypothetical protein LIC12922 from Leptospira interrogans revealed a two domain protein homologous to the Escherichia coli periplasmic chaperone SurA. The LIC12922 NC-domain is structurally related to the chaperone modules of E. coli SurA and trigger factor, whereas the parvulin domain is devoid of peptidyl prolyl cis-trans isomerase activity. Phylogenetic analyses suggest a relationship between LIC12922 and the chaperones PrsA, PpiD and SurA. Based on our structural and evolutionary analyses, we postulate that LIC12922 is a periplasmic chaperone involved in OMPs biogenesis in Leptospira spp. Since LIC12922 homologs were identified in all spirochetal genomes sequenced to date, this assumption may have implications for the OMPs biogenesis studies not only in leptospires but in the entire Phylum Spirochaetes. (C) 2010 Elsevier Inc. All rights reserved.