Ethidium-dependent uncoupling of substrate binding and cleavage by Escherichia coli ribonuclease III

Ethidium bromide (EB) is known to inhibit cleavage of bacterial rRNA precursors by Escherichia coli ribonuclease III, a dsRNA-specific nuclease. The mechanism of EB inhibition of RNase III is not known nor is there information on EB-binding sites in RNase III substrates. We show here that EB is a reversible, apparently competitive inhibitor of RNase III cleavage of small model substrates in vitro. Inhibition is due to intercalation, since (i) the inhibitory concentrations of EB are similar to measured EB intercalation affinities; (ii) substrate cleavage is not affected by actinomycin D, an intercalating agent that does not bind dsRNA; (iii) the EB concentration dependence of inhibition is a function of substrate structure. In contrast, EB does not strongly inhibit the ability of RNase III to bind substrate. EB also does not block substrate binding by the C-terminal dsRNA-binding domain (dsRBD) of RNase III, indicating that EB perturbs substrate recognition by the N-terminal catalytic domain. Laser photocleavage experiments revealed two ethidium-binding sites in the substrate R1.1 RNA. One site is in the internal loop, adjacent to the scissile bond, while the second site is in the lower stem. Both sites consist of an A-A pair stacked on a CG pair, a motif which apparently provides a particularly favorable environment for intercalation. These results indicate an inhibitory mechanism in which EB site-specifically binds substrate, creating a cleavage-resistant complex that can compete with free substrate for RNase III. This study also shows that RNase III recognition and cleavage of substrate can be uncoupled and supports an enzymatic mechanism of dsRNA cleavage involving cooperative but not obligatorily linked actions of the dsRBD and the catalytic domain.

Activity of recombinant dengue 2 virus NS3 protease in the presence of a truncated NS2B co-factor, small peptide substrates, and inhibitors

Recombinant forms of the dengue 2 virus NS3 protease linked to a 40-residue co-factor, corresponding to part of NS2B, have been expressed in Escherichia coli and shown to be active against para-nitroanilide substrates comprising the P6-P1 residues of four substrate cleavage sequences. The enzyme is inactive alone or after the addition of a putative 13-residue co-factor peptide but is active when fused to the 40-residue co-factor, by either a cleavable or a noncleavable glycine linker. The NS4B/NS5 cleavage site was processed most readily, with optimal processing conditions being pH 9, I = 10 mm, 1 mm CHAPS, 20% glycerol. A longer 10-residue peptide corresponding to the NS2B/NS3 cleavage site (P6-P4') was a poorer substrate than the hexapeptide (P6-P1) para-nitroanilide substrate under these conditions, suggesting that the prime side substrate residues did not contribute significantly to protease binding. We also report the first inhibitors of a co-factor-complexed, catalytically active flavivirus NS3 protease. Aprotinin was the only standard serine protease inhibitor to be active, whereas a number of peptide substrate analogues were found to be competitive inhibitors at micromolar concentrations.

HCF-1 is cleaved in the active site of O-GlcNAc transferase.

Host cell factor-1 (HCF-1), a transcriptional co-regulator of human cell-cycle progression, undergoes proteolytic maturation in which any of six repeated sequences is cleaved by the nutrient-responsive glycosyltransferase, O-linked N-acetylglucosamine (O-GlcNAc) transferase (OGT). We report that the tetratricopeptide-repeat domain of O-GlcNAc transferase binds the carboxyl-terminal portion of an HCF-1 proteolytic repeat such that the cleavage region lies in the glycosyltransferase active site above uridine diphosphate-GlcNAc. The conformation is similar to that of a glycosylation-competent peptide substrate. Cleavage occurs between cysteine and glutamate residues and results in a pyroglutamate product. Conversion of the cleavage site glutamate into serine converts an HCF-1 proteolytic repeat into a glycosylation substrate. Thus, protein glycosylation and HCF-1 cleavage occur in the same active site.

Étude structure-fonction des fructose-1,6-bisphosphate aldolases métallo-dépendantes : mécanisme catalytique et développement d’antimicrobiens

Les fructose-1,6-bisphosphate aldolases (FBPA) sont des enzymes glycolytiques (EC 4.1.2.13) qui catalysent la transformation réversible du fructose-1,6-bisphosphate (FBP) en deux trioses-phosphates, le glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P) et le dihydroxyacétone phosphate (DHAP). Il existe deux classes de FBPA qui diffèrent au niveau de leur mécanisme catalytique. Les classes I passent par la formation d’un intermédiaire covalent de type iminium alors que les classes II, métallodépendantes, utilisent généralement un zinc catalytique. Contrairement au mécanisme des classes I qui a été très étudié, de nombreuses interrogations subsistent au sujet de celui des classes II. Nous avons donc entrepris une analyse détaillée de leur mécanisme réactionnel en nous basant principalement sur la résolution de structures cristallographiques. De nombreux complexes à haute résolution furent obtenus et ont permis de détailler le rôle de plusieurs résidus du site actif de l’enzyme. Nous avons ainsi corrigé l’identification du résidu responsable de l’abstraction du proton de l’O4 du FBP, une étape cruciale du mécanisme. Ce rôle, faussement attribué à l’Asp82 (chez Helicobacter pylori), est en fait rempli par l’His180, un des résidus coordonant le zinc. L’Asp82 n’en demeure pas moins essentiel car il oriente, active et stabilise les substrats. Enfin, notre étude met en évidence le caractère dynamique de notre enzyme dont la catalyse nécessite la relocalisation du zinc et de nombreux résidus. La dynamique de la protéine ne permet pas d’étudier tous les aspects du mécanisme uniquement par l’approche cristallographique. En particulier, le résidu effectuant le transfert stéréospécifique du proton pro(S) sur le carbone 3 (C3) du DHAP est situé sur une boucle qui n’est visible dans aucune de nos structures. Nous avons donc développé un protocole de dynamique moléculaire afin d’étudier sa dynamique. Validé par l’étude d’inhibiteurs de la classe I, l’application de notre protocole aux FBPA de classe II a confirmé l’identification du résidu responsable de cette abstraction chez Escherichia coli (Glu182) mais pointe vers un résidu diffèrent chez H. pylori (Glu149 au lieu de Glu142). Nos validations expérimentales confirment ces observations et seront consolidées dans le futur. Les FBPA de classe II sont absentes du protéome humain mais sont retrouvées chez de nombreux pathogènes, pouvant même s'y révéler essentielles. Elles apparaissent donc comme étant une cible idéale pour le développement de nouveaux agents anti-microbiens. L’obtention de nouveaux analogues des substrats pour ces enzymes a donc un double intérêt, obtenir de nouveaux outils d’étude du mécanisme mais aussi développer des molécules à visée pharmacologique. En collaboration avec un groupe de chimistes, nous avons optimisé le seul inhibiteur connu des FBPA de classe II. Les composés obtenus, à la fois plus spécifiques et plus puissants, permettent d’envisager une utilisation pharmacologique. En somme, c’est par l’utilisation de techniques complémentaires que de nouveaux détails moléculaires de la catalyse des FBPA de classe II ont pu être étudiés. Ces techniques permettront d’approfondir la compréhension fine du mécanisme catalytique de l’enzyme et offrent aussi de nouvelles perspectives thérapeutiques.

Multifonctionnalité de l'aldolase glycolytique : mécanisme catalytique et interaction avec un peptide de la protéine du syndrome Wiskott-Aldrich

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

La tagatose-1,6-bisphosphate aldolase et la fructose-1,6-bisphosphate aldolase de classe I : mécanisme et stéréospécificité

La tagatose-1,6-biphosphate aldolase de Streptococcus pyogenes est une aldolase qui fait preuve d'un remarquable manque de spécificité vis à vis de ses substrats. En effet, elle catalyse le clivage réversible du tagatose-1,6-bisphosphate (TBP), mais également du fructose-1,6-bisphosphate (FBP), du sorbose-1,6-bisphosphate et du psicose-1,6-bisphosphate, quatre stéréoisomères, en dihydroxyacétone phosphate (DHAP) et en glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P). Aldolase de classe I, qui donc catalyse sa réaction en formant un intermédiaire covalent obligatoire, ou base de Schiff, avec son susbtrat, la TBP aldolase de S. pyogenes partage 14 % d’identité avec l’enzyme modèle de cette famille, la FBP aldolase de muscle de mammifère. Bien que le mécanime catalytique de la FBP aldolase des mammifères ait été examiné en détails et qu’il soit approprié d’en tirer des renseignements quant à celui de la TBP aldolase, le manque singulier de stéréospécificité de cette dernière tant dans le sens du clivage que celui de la condensation n’est toujours pas éclairci. Afin de mettre à jour les caractéristiques du mécanisme enzymatique, une étude structurale de la TBP aldolase de S. pyogenes, un pathogène humain extrêmement versatile, a été entreprise. Elle a permis la résolution des structures de l’enzyme native et mutée, en complexe avec des subtrats et des inhibiteurs compétitifs, à des résolutions comprises entre 1.8 Å et 2.5 Å. Le trempage des cristaux de TBP aldolase native et mutante dans une solution saturante de FBP ou TBP a en outre permis de piéger un authentique intermédiaire covalent lié à la Lys205, la lysine catalytique. La determination des profils pH de la TBP aldolase native et mutée, entreprise afin d'évaluer l’influence du pH sur la réaction de clivage du FBP et TBP et ìdentifier le(s) résidu(s) impliqué(s), en conjonction avec les données structurales apportées par la cristallographie, ont permis d’identifier sans équivoque Glu163 comme résidu responsable du clivage. En effet, le mode de liaison sensiblement différent des ligands utilisés selon la stéréochimie en leur C3 et C4 permet à Glu163, équivalent à Glu187 dans la FBP aldolase de classe I, d’abstraire le proton sur l’hydroxyle du C4 et ainsi d’amorcer le clivage du lien C3-C4. L’étude du mécanimse inverse, celui de la condensation, grâce par exemple à la structure de l’enzyme native en complexe avec ses substrats à trois carbones le DHAP et le G3P, a en outre permis d’identifier un isomérisme du substrat G3P comme possible cause de la synthèse des isomères en C4 par cette enzyme. Ce résultat, ainsi que la decouverte d’un possible isomérisme cis-trans autour du lien C2-C3 de la base de Schiff formée avec le DHAP, identifié précedemment, permet de cerner presque complètement les particularités du mécanisme de cette enzyme et d’expliquer comment elle est capable de synthétiser les quatres stéréoisomères 3(S/R), 4(S/R). De plus, la résolution de ces structures a permis de mettre en évidence trois régions très mobiles de la protéine, ce qui pourrait être relié au rôle postulé de son isozyme chez S. pyogenes dans la régulation de l’expression génétique et de la virulence de la bactérie. Enfin, la résolution de la structure du mutant Lys229→Met de la FBP aldolase de muscle en complexe avec la forme cyclique du FBP, de même que des études cristallographiques sur le mutant équivalent Lys205→Met de la TBP aldolase de S. pyogenes et des expériences de calorimétrie ont permis d’identifier deux résidus particuliers, Ala31 et Asp33 chez la FBP aldolase, comme possible cause de la discrimination de cette enzyme contre les substrats 3(R) et 4(S), et ce par encombrement stérique des substrats cycliques. La cristallographie par rayons X et la cinétique enzymatique ont ainsi permis d'avancer dans l'élucidation du mécanisme et des propriétés structurales de cette enzyme aux caractéristiques particulières.

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.

Inovação do método MIA-QSAR: aplicação para doenças tropicais negligenciadas

Multivariate image analysis applied to the quantitative structure-activity relationships (MIA-QSAR) is a 2D QSAR technique that has been presenting promising outcomes for the development of new drug candidates, due to its simplicity, rapidity and low cost. In this way, the present study aims at introducing, consolidating and improving the new dimensions named aug-MIA-QSAR and aug-MIA-QSARcolor, as well as applying them to the study of neglected diseases, in order to obtain new drug targets using chemico-biological interpretation of the MIA molecular descriptors. Four compound data sets with experimental bioactivities against Chagas disease, malaria, dengue and schistosomiasis were evaluated using three approaches: MIA-QSARt, aug-MIA-QSAR and aug-MIA-QSARcolor. In general, representations of atoms as spheres with different colors and sizes proportional to the corresponding van der Waals radii (aug-MIA approaches) improved the predictive ability and interpretability in all data sets. The use of colors proportional to the Pauling´s electronegativity showed that MIA descriptors are capable of identifying periodic properties relevant for the studied activity. Finally, solid colors instead of spotlighted atoms allowed a correct identification of atoms by means of pixel values in the studies for malaria, dengue and schistosomiasis, which were, subsequently, useful for the chemical interpretation related to the bioactivity. It can be inferred that semicarbazones and thiosemicarbazones derivative with a tri-substituted ring in R1 group and a trifluoro methyl group in the R 3 position instead of a chlorine antitripanossoma resulted in higher activity. The antimalarial activity of quinolon-4(1H)imines can be improved if: 1) R1 and R2 are electron donor groups, 2) R3 has long aminoalkyl chains, and 3) R4 possesses substituents with big atomic volume. In the study for dengue, it was found that tetrapeptides with unbranched small size amino acids in the A1 and A4 positions can increase the substrate affinity (Km) to the NS3 protein, and when in A1 and A2 positions, the substrate cleavage rate (kcat). On the other hand, acidic amino acids in the A2 and A4 positions were found to be related with low substrate affinity to the NS3 protein and when present in A1, with low substrate cleavage rate. Finally, the presence of metoxy substituents in R1 (or R2) and R5 in the neolignan backbone can favor their antischistosomal activity.

Understanding the Function of Conserved Variations in the Catalytic Loops of Fungal Glycoside Hydrolase Family 12

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

An amino acid as a cofactor for a catalytic polynucleotide

Natural ribozymes require metal ion cofactors that aid both in structural folding and in chemical catalysis. In contrast, many protein enzymes produce dramatic rate enhancements using only the chemical groups that are supplied by their constituent amino acids. This fact is widely viewed as the most important feature that makes protein a superior polymer for the construction of biological catalysts. Herein we report the in vitro selection of a catalytic DNA that uses histidine as an active component for an RNA cleavage reaction. An optimized deoxyribozyme from this selection requires l-histidine or a closely related analog to catalyze RNA phosphoester cleavage, producing a rate enhancement of ≈1-million-fold over the rate of substrate cleavage in the absence of enzyme. Kinetic analysis indicates that a DNA–histidine complex may perform a reaction that is analogous to the first step of the proposed catalytic mechanism of RNase A, in which the imidazole group of histidine serves as a general base catalyst. Similarly, ribozymes of the “RNA world” may have used amino acids and other small organic cofactors to expand their otherwise limited catalytic potential.

Regulation of ribonuclease III processing by double-helical sequence antideterminants

The double helix is a ubiquitous feature of RNA molecules and provides a target for nucleases involved in RNA maturation and decay. Escherichia coli ribonuclease III participates in maturation and decay pathways by site-specifically cleaving double-helical structures in cellular and viral RNAs. The site of cleavage can determine RNA functional activity and half-life and is specified in part by local tertiary structure elements such as internal loops. The involvement of base pair sequence in determining cleavage sites is unclear, because RNase III can efficiently degrade polymeric double-stranded RNAs of low sequence complexity. An alignment of RNase III substrates revealed an exclusion of specific Watson–Crick bp sequences at defined positions relative to the cleavage site. Inclusion of these “disfavored” sequences in a model substrate strongly inhibited cleavage in vitro by interfering with RNase III binding. Substrate cleavage also was inhibited by a 3-bp sequence from the selenocysteine-accepting tRNASec, which acts as an antideterminant of EF-Tu binding to tRNASec. The inhibitory bp sequences, together with local tertiary structure, can confer site specificity to cleavage of cellular and viral substrates without constraining the degradative action of RNase III on polymeric double-stranded RNA. Base pair antideterminants also may protect double-helical elements in other RNA molecules with essential functions.

The catalytic sites of 20S proteasomes and their role in subunit maturation: A mutational and crystallographic study

We present a biochemical and crystallographic characterization of active site mutants of the yeast 20S proteasome with the aim to characterize substrate cleavage specificity, subunit intermediate processing, and maturation. β1(Pre3), β2(Pup1), and β5(Pre2) are responsible for the postacidic, tryptic, and chymotryptic activity, respectively. The maturation of active subunits is independent of the presence of other active subunits and occurs by intrasubunit autolysis. The propeptides of β6(Pre7) and β7(Pre4) are intermediately processed to their final forms by β2(Pup1) in the wild-type enzyme and by β5(Pre2) and β1(Pre3) in the β2(Pup1) inactive mutants. A role of the propeptide of β1(Pre3) is to prevent acetylation and thereby inactivation. A gallery of proteasome mutants that contain active site residues in the context of the inactive subunits β3(Pup3), β6(Pre7), and β7(Pre4) show that the presence of Gly-1, Thr1, Asp17, Lys33, Ser129, Asp166, and Ser169 is not sufficient to generate activity.

Profluorescent protease substrates: intramolecular dimers described by the exciton model.

Xanthene dyes are known to form dimers with spectral characteristics that have been interpreted in terms of exciton theory. A unique aspect of H-type dimers is the fluorescence quenching that accompanies their formation. Using the principles of exciton theory as a guide, a series of protease substrates was synthesized with a xanthene dye on each side of the cleavage site. To bring the attached dyes into spatial proximity to form a dimer, the molecular design included structure determinant regions in the amino acid sequence. In addition, chromophores were chosen such that changes in absorption spectra indicative of exciton splitting were anticipated. Cleavage of the peptides by a protease resulted in disruption of the dimers and indeed significant absorption spectral changes were observed. Furthermore, substrate cleavage was accompanied by at least an order of magnitude increase in fluorescence intensity. This has allowed determination of intracellular elastase activity using a fluorescence microscope equipped with standard optics.

Introduction of asymmetry in the naturally symmetric restriction endonuclease EcoRV to investigate intersubunit communication in the homodimeric protein.

Type II restriction endonucleases are dimers of two identical subunits that together form one binding site for the double-stranded DNA substrate. Cleavage within the palindromic recognition site occurs in the two strands of the duplex in a concerted manner, due to the action of two catalytic centers, one per subunit. To investigate how the two identical subunits of the restriction endonuclease EcoRV cooperate in binding and cleaving their substrate, heterodimeric versions of EcoRV with different amino acid substitutions in the two subunits were constructed. For this purpose, the ecorV gene was fused to the coding region for the glutathione-binding domain of the glutathione S-transferase and a His6-tag, respectively. Upon cotransformation of Escherichia coli cells with both gene fusions stable homo- and heterodimers of the EcoRV variants are produced, which can be separated and purified to homogeneity by affinity chromatography over Ni-nitrilotriacetic acid and glutathione columns. A steady-state kinetic analysis shows that the activity of a heterodimeric variant with one inactive catalytic center is decreased by 2-fold, demonstrating that the two catalytic centers operate independently from each other. In contrast, heterodimeric variants with a defect in one DNA-binding site have a 30- to 50-fold lower activity, indicating that the two subunits of EcoRV cooperate in the recognition of the palindromic DNA sequence. By combining a subunit with an inactive catalytic center with a subunit with a defect in the DNA-binding site, EcoRV heterodimers were produced that only nick DNA specifically within the EcoRV recognition sequence.

La tagatose-1,6-bisphosphate aldolase et la fructose-1,6-bisphosphate aldolase de classe I : mécanisme et stéréospécificité

La tagatose-1,6-biphosphate aldolase de Streptococcus pyogenes est une aldolase qui fait preuve d'un remarquable manque de spécificité vis à vis de ses substrats. En effet, elle catalyse le clivage réversible du tagatose-1,6-bisphosphate (TBP), mais également du fructose-1,6-bisphosphate (FBP), du sorbose-1,6-bisphosphate et du psicose-1,6-bisphosphate, quatre stéréoisomères, en dihydroxyacétone phosphate (DHAP) et en glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P). Aldolase de classe I, qui donc catalyse sa réaction en formant un intermédiaire covalent obligatoire, ou base de Schiff, avec son susbtrat, la TBP aldolase de S. pyogenes partage 14 % d’identité avec l’enzyme modèle de cette famille, la FBP aldolase de muscle de mammifère. Bien que le mécanime catalytique de la FBP aldolase des mammifères ait été examiné en détails et qu’il soit approprié d’en tirer des renseignements quant à celui de la TBP aldolase, le manque singulier de stéréospécificité de cette dernière tant dans le sens du clivage que celui de la condensation n’est toujours pas éclairci. Afin de mettre à jour les caractéristiques du mécanisme enzymatique, une étude structurale de la TBP aldolase de S. pyogenes, un pathogène humain extrêmement versatile, a été entreprise. Elle a permis la résolution des structures de l’enzyme native et mutée, en complexe avec des subtrats et des inhibiteurs compétitifs, à des résolutions comprises entre 1.8 Å et 2.5 Å. Le trempage des cristaux de TBP aldolase native et mutante dans une solution saturante de FBP ou TBP a en outre permis de piéger un authentique intermédiaire covalent lié à la Lys205, la lysine catalytique. La determination des profils pH de la TBP aldolase native et mutée, entreprise afin d'évaluer l’influence du pH sur la réaction de clivage du FBP et TBP et ìdentifier le(s) résidu(s) impliqué(s), en conjonction avec les données structurales apportées par la cristallographie, ont permis d’identifier sans équivoque Glu163 comme résidu responsable du clivage. En effet, le mode de liaison sensiblement différent des ligands utilisés selon la stéréochimie en leur C3 et C4 permet à Glu163, équivalent à Glu187 dans la FBP aldolase de classe I, d’abstraire le proton sur l’hydroxyle du C4 et ainsi d’amorcer le clivage du lien C3-C4. L’étude du mécanimse inverse, celui de la condensation, grâce par exemple à la structure de l’enzyme native en complexe avec ses substrats à trois carbones le DHAP et le G3P, a en outre permis d’identifier un isomérisme du substrat G3P comme possible cause de la synthèse des isomères en C4 par cette enzyme. Ce résultat, ainsi que la decouverte d’un possible isomérisme cis-trans autour du lien C2-C3 de la base de Schiff formée avec le DHAP, identifié précedemment, permet de cerner presque complètement les particularités du mécanisme de cette enzyme et d’expliquer comment elle est capable de synthétiser les quatres stéréoisomères 3(S/R), 4(S/R). De plus, la résolution de ces structures a permis de mettre en évidence trois régions très mobiles de la protéine, ce qui pourrait être relié au rôle postulé de son isozyme chez S. pyogenes dans la régulation de l’expression génétique et de la virulence de la bactérie. Enfin, la résolution de la structure du mutant Lys229→Met de la FBP aldolase de muscle en complexe avec la forme cyclique du FBP, de même que des études cristallographiques sur le mutant équivalent Lys205→Met de la TBP aldolase de S. pyogenes et des expériences de calorimétrie ont permis d’identifier deux résidus particuliers, Ala31 et Asp33 chez la FBP aldolase, comme possible cause de la discrimination de cette enzyme contre les substrats 3(R) et 4(S), et ce par encombrement stérique des substrats cycliques. La cristallographie par rayons X et la cinétique enzymatique ont ainsi permis d'avancer dans l'élucidation du mécanisme et des propriétés structurales de cette enzyme aux caractéristiques particulières.