Predicting function from structure: 3D structure studies of the mammalian golgi complex

3D electron tomography studies of the structure of the mammalian Golgi complex have led to four functional predictions (1). The sorting and exit site from the Golgi comprises two or three distinct trans-cisternae (2). The docking of vesicular-tubular clusters at the cis-face and the fragmentation of trans-cisternae are coordinated (3). The mechanisms of transport through, and exit from, the Golgi vary with physiological state, and in different cells and tissues (4). Specialized trans-ER functions in the delivery of ceramide to sphingomyelin synthase in the trans-Golgi membrane, for the regulated sorting via sphingolipid-cholesterol-rich domains. These structure-based predictions can now be tested using a variety of powerful cell and molecular tools.

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.

A new paradigm for the folding of ribonucleic acids

De récentes découvertes montrent le rôle important que joue l’acide ribonucléique (ARN) au sein des cellules, que ce soit le contrôle de l’expression génétique, la régulation de plusieurs processus homéostasiques, en plus de la transcription et la traduction de l’acide désoxyribonucléique (ADN) en protéine. Si l’on veut comprendre comment la cellule fonctionne, nous devons d’abords comprendre ses composantes et comment ils interagissent, et en particulier chez l’ARN. La fonction d’une molécule est tributaire de sa structure tridimensionnelle (3D). Or, déterminer expérimentalement la structure 3D d’un ARN s’avère fort coûteux. Les méthodes courantes de prédiction par ordinateur de la structure d’un ARN ne tiennent compte que des appariements classiques ou canoniques, similaires à ceux de la fameuse structure en double-hélice de l’ADN. Ici, nous avons amélioré la prédiction de structures d’ARN en tenant compte de tous les types possibles d’appariements, dont ceux dits non-canoniques. Cela est rendu possible dans le contexte d’un nouveau paradigme pour le repliement des ARN, basé sur les motifs cycliques de nucléotides ; des blocs de bases pour la construction des ARN. De plus, nous avons dévelopées de nouvelles métriques pour quantifier la précision des méthodes de prédiction des structures 3D des ARN, vue l’introduction récente de plusieurs de ces méthodes. Enfin, nous avons évalué le pouvoir prédictif des nouvelles techniques de sondage de basse résolution des structures d’ARN.

Calmodulin/KCa3.1 channel interactions as determinant to the KCa3.1 Ca2+ dependent gating : theoretical and experimental analyses

Differentes études ont montré que la sensibilité au Ca2+ du canal KCa3.1, un canal potassique indépendant du voltage, était conférée par la protéine calmoduline (CaM) liée de façon constitutive au canal. Cette liaison impliquerait la région C-lobe de la CaM et un domaine de $\ikca$ directement relié au segment transmembranaire S6 du canal. La CaM pourrait égalment se lier au canal de façon Ca2+ dépendante via une interaction entre un domaine de KCa3.1 du C-terminal (CaMBD2) et la région N-lobe de la CaM. Une étude fut entreprise afin de déterminer la nature des résidus responsables de la liaison entre le domaine CaMBD2 de KCa3.1 et la région N-lobe de la CaM et leur rôle dans le processus d'ouverture du canal par le Ca2+. Une structure 3D du complexe KCa3.1/CaM a d'abord été générée par modélisation par homologie avec le logiciel MODELLER en utilisant comme référence la structure cristalline du complexe SK2.2/CaM (PDB: 1G4Y). Le modèle ainsi obtenu de KCa3.1 plus CaM prévoit que le segment L361-S372 dans KCa3.1 devrait être responsable de la liaison dépendante du Ca2+ du canal avec la région N-lobe de la CaM via les résidus L361 et Q364 de KCa3.1 et E45, E47 et D50 de la CaM. Pour tester ce modèle, les résidus dans le segment L361-S372 ont été mutés en Cys et l'action du MTSET+ (chargé positivement) et MTSACE (neutre) a été mesurée sur l'activité du canal. Des enregistrements en patch clamp en configuration ``inside-out`` ont montré que la liaison du réactif chargé MTSET+ au le mutant Q364C entraîne une forte augmentation du courant, un effet non observé avec le MTSACE. De plus les mutations E45A et E47A dans la CaM, ont empêché l'augmentation du courant initié par MTSET+ sur le mutant Q364C. Une analyse en canal unitaire a confirmé que la liaison MTSET+ à Q364C cause une augmentation de la probabilité d'ouverture de KCa3.1 par une déstabilisation de l'état fermé du canal. Nous concluons que nos résultats sont compatibles avec la formation de liaisons ioniques entre les complexes chargés positivement Cys-MTSET+ à la position 364 de KCa3.1 et les résidus chargés négativement E45 et E47 dans la CaM. Ces données confirment qu'une stabilisation électrostatique des interactions CaM/KCa3.1 peut conduire à une augmentation de la probabilité d'ouverture du canal en conditions de concentrations saturantes de Ca2+.

Étude structurale conformationnelle des toxines de l’anthrax par cryo-microscopie et dynamique moléculaire

Les toxines de l’anthrax font partie de la famille des toxines A-B dans laquelle la moitié B se fixe à la membrane de la cellule permettant par la suite la translocation de la moitié A. Dans le cas de l’anthrax, la moitié B est représentée par le Protective Antigen (PA) et la moitié A par les deux protéines Edema Factor (EF) et Lethal Factor (LF). Après le recrutement par les récepteurs cellulaires (CMG2 et TEM8), PA s’organise en heptamère. Il peut fixer jusqu'à 3 ligands (EF et LF) avant d'être endocyté. Les modèles actuels de PA suggèrent que la baisse de pH à l’intérieur des endosomes permet un changement de conformation de la forme pré-pore vers la forme pore et que les ligands EF et LF passeraient au travers le pore pour entrer dans le cytoplasme. Cependant, le diamètre du pore est environ dix fois inférieur à celui des ligands (10 Å contre 100 Å). Un processus de folding/unfolding a été proposé mais demeure controversé. Afin d'identifier le processus de passage des facteurs EF et LF dans le cytoplasme, nous avons déterminé par cryo-microscopie électronique combinée avec l’analyse d’image les structures tridimensionnelles des complexes formés par PA et LF aux étapes prépore et pore. Par la suite, une étude complémentaire par dynamique moléculaire nous a permis de modéliser à haute résolution les différentes interactions qui ont lieu au sein du complexe. La structure 3D du complexe prépore combiné à 3 LF a été déterminée à une résolution de 14 Å. Nous avons aussi calculé une structure préliminaire du complexe pore également combiné à 3 LF Celles-ci n’ont jamais été résolues auparavant et leur connaissance permet d’envisager l’étude en profondeur du mécanisme infectieux de l’Anthrax in vivo.

Symmetry-break in Voronoi tessellations

We analyse in a common framework the properties of the Voronoi tessellations resulting from regular 2D and 3D crystals and those of tessellations generated by Poisson distributions of points, thus joining on symmetry breaking processes and the approach to uniform random distributions of seeds. We perturb crystalline structures in 2D and 3D with a spatial Gaussian noise whose adimensional strength is α and analyse the statistical properties of the cells of the resulting Voronoi tessellations using an ensemble approach. In 2D we consider triangular, square and hexagonal regular lattices, resulting into hexagonal, square and triangular tessellations, respectively. In 3D we consider the simple cubic (SC), body-centred cubic (BCC), and face-centred cubic (FCC) crystals, whose corresponding Voronoi cells are the cube, the truncated octahedron, and the rhombic dodecahedron, respectively. In 2D, for all values α>0, hexagons constitute the most common class of cells. Noise destroys the triangular and square tessellations, which are structurally unstable, as their topological properties are discontinuous in α=0. On the contrary, the honeycomb hexagonal tessellation is topologically stable and, experimentally, all Voronoi cells are hexagonal for small but finite noise with α<0.12. Basically, the same happens in the 3D case, where only the tessellation of the BCC crystal is topologically stable even against noise of small but finite intensity. In both 2D and 3D cases, already for a moderate amount of Gaussian noise (α>0.5), memory of the specific initial unperturbed state is lost, because the statistical properties of the three perturbed regular tessellations are indistinguishable. When α>2, results converge to those of Poisson-Voronoi tessellations. In 2D, while the isoperimetric ratio increases with noise for the perturbed hexagonal tessellation, for the perturbed triangular and square tessellations it is optimised for specific value of noise intensity. The same applies in 3D, where noise degrades the isoperimetric ratio for perturbed FCC and BCC lattices, whereas the opposite holds for perturbed SCC lattices. This allows for formulating a weaker form of the Kelvin conjecture. By analysing jointly the statistical properties of the area and of the volume of the cells, we discover that also the cells shape heavily fluctuates when noise is introduced in the system. In 2D, the geometrical properties of n-sided cells change with α until the Poisson-Voronoi limit is reached for α>2; in this limit the Desch law for perimeters is shown to be not valid and a square root dependence on n is established, which agrees with exact asymptotic results. Anomalous scaling relations are observed between the perimeter and the area in the 2D and between the areas and the volumes of the cells in 3D: except for the hexagonal (2D) and FCC structure (3D), this applies also for infinitesimal noise. In the Poisson-Voronoi limit, the anomalous exponent is about 0.17 in both the 2D and 3D case. A positive anomaly in the scaling indicates that large cells preferentially feature large isoperimetric quotients. As the number of faces is strongly correlated with the sphericity (cells with more faces are bulkier), in 3D it is shown that the anomalous scaling is heavily reduced when we perform power law fits separately on cells with a specific number of faces.

Advantages of exploiting projection structure for segmenting dense 3D point clouds

Timely and comprehensive scene segmentation is often a critical step for many high level mobile robotic tasks. This paper examines a projected area based neighbourhood lookup approach with the motivation towards faster unsupervised segmentation of dense 3D point clouds. The proposed algorithm exploits the projection geometry of a depth camera to find nearest neighbours which is time independent of the input data size. Points near depth discontinuations are also detected to reinforce object boundaries in the clustering process. The search method presented is evaluated using both indoor and outdoor dense depth images and demonstrates significant improvements in speed and precision compared to the commonly used Fast library for approximate nearest neighbour (FLANN) [Muja and Lowe, 2009].

A novel sheet 4f-3d mixed-metal pyridine dicarboxylate: synthesis, structure, photophysical properties and its transformation to a perovskite oxide

The synthesis, characterization and photophysical properties of a 4f-3d mixed metal compound, Gd(H2O)(3)Co[C5N1H3-(COO)(2)](3), are described; the structure is unique, consisting of sheets with large pores ( ca. 7 angstrom diameter) in the sheets and transforms to a perovskite oxide at moderate temperatures.

A formate bridged Ni(II) sheet and its 3D analogue in presence of a linear organic linker: Synthesis, crystal structure and magnetic properties

Reaction of formamide with Ni(NO3)(2)center dot 6H(2)O under hydrothermal condition in a mixture of MeOH/H2O forms a two-dimensional formate bridged sheet Ni(HCOO)(2)(MeOH)(2) (1). X-ray structure analysis reveals the conversion of formamide to formate which acts as a bridging ligand in complex 1 where the axial sites of Ni(II) are occupied by methanol used as a solvent. An analogous reaction in presence of 4,4'-bipyridyl (4,4'-bipy) yielded a three-dimensional structure Ni(HCOO)(2)(4,4'-bpy) (2). DC magnetic measurements as a function of temperature and field established the presence of spontaneous magnetization with T-c (Curie temperature) = 17 and 20.8 K in 1 and 2, respectively, which can be attributed due to spin-canting. DFT calculations were performed to corroborate the magnetic results of 1 and 2. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Electronic structure of early 3d-transition-metal oxides by analysis of the 2p core-level photoemission spectra

The electronic structures of a wide range of early transition-metal (TM) compounds, including Ti and V oxides with metal valences ranging from 2+ to 5+ and formal d-electron numbers ranging from 0 to 2, have been investigated by a configuration-interaction cluster model analysis of the core-level metal 2p x-ray photoemission spectra (XPS). Inelastic energy-loss backgrounds calculated from experimentally measured electron-energy-loss spectra (EELS) were subtracted from the XPS spectra to remove extrinsic loss features. Parameter values deduced for the charge-transfer energy Delta and the d-d Coulomb repulsion energy U are shown to continue the systematic trends established previously for the late TM compounds, giving support to a charge-transfer mechanism for the satellite structures. The early TM compounds are characterized by a large metal d-ligand p hybridization energy, resulting in strong covalency in these compounds. Values for Delta and U suggest that many early TM compounds should be reclassified as intermediate between the charge-transfer regime and the Mott-Hubbard regime.

A new 3D cadmium(II) coordination polymer having mu(4)-oxalato, mu-aquo and mu-chlorido bridges: crystal structure, solid state fluorescence and thermal behavior

A new 3D cadmium(II) coordination polymer, Cd(C2O4)(0.5)Cl(H2O)](n) (1) has been synthesized from a mixture of CdCl2. H2O and (NH4)(2)C2O4 in a slightly acidic pH. Its molecular structure was determined by single crystal X-ray diffraction which reveals that the new polymeric structure consists of simultaneous mu(4)-oxalato, mu-aquo, and mu-chlorido bridges between the metal centers, embedded in distorted pentagonal bipyramidal geometries. On thermal analysis compound exhibits high thermal stability up to 330 degrees C. Compound 1 also exhibits strong fluorescent emission. (c) 2013 Elsevier B.V. All rights reserved.

Ligational behaviour of (E)-2-amino-N ` -1-(2-hydroxyphenyl) ethylidene]benzohydrazide towards later 3d metal ions: X-ray crystal structure of nickel(IV) complex

Ligational behaviour of (E)-2-amino-N'-1-(2-hydroxyphenyl)ethylidene]benzohydrazide (Aheb) towards later 3d metal ionscopper(II), cobalt(II), manganese(II), zinc(II), cadmium(II) and nickel(IV)] has been studied. Their structures have been elucidated on the basis of spectral (IR, H-1 NMR, UV-Vis, EPR and FAB-mass), elemental analyses, conductance measurements, magnetic moments, and thermal studies. During complexation Ni(II) ion has got oxidized to Ni(IV). The changes in the bond parameters of the ligand on complexation has been discussed by comparing the crystal structure of the ligand with that of its Ni(IV) complex. The X-ray single crystal analysis of Ni(aheb)(2)]Cl-2 center dot 4H(2)O has confirmed an octahedral geometry around the metal ion. EPR spectra of the Cu(II) complex in polycrystalline state at room (300 K) and liquid nitrogen temperature (77 K) were recorded and their salient features are reported. (C) 2014 Elsevier B.V. All rights reserved.

Hetero-tri-spin 2p-3d-4f] Chain Compounds Based on Nitronyl Nitroxide Lanthanide Metallo-Ligands: Synthesis, Structure, and Magnetic Properties

Employing nitronyl nitroxide lanthanide(III) complexes as metallo-ligands allowed the efficient and highly selective preparation of three series of unprecedented heterotri-spin (Cu Ln-radical) one-dimensional compounds. These 2p-3d-4f spin systems, namely Ln(3)Cu(hfac)II(NitPhOAII)41 (Ln(III)=Gd 1(Gd), Tb 1(Tb), Dy 1(Dy); NitPhOAII=2-(4'-allyloxyphenyl)-4,4,5,5-tetramethylimidazoline-1-oxyl-3- oxide), Ln(3)Cu(hfac)II(NitPhOPO4] (1-nrn=Gd 2Gd, Tb 2Tb, Dy 2(Dy), Ho 2HOf Yb 2yb; NitPhOPr= 2-(4'-propoxyphenyI)-4,4,5,5-tetramethyl-imidazoline-1-oxyl-3-oxide) and Ln3Cu(hfac)II(NitPhOB441 (LnIm=Gd 3Gd, Tb 3Tb, Dy 3(Dy); NitPhOBz=2-(4'-benzyloxy- phenyl)-4,4,5,5-tetramethyl-imidazoline-1-oxyl-3-oxide) involve O-bound nitronyl nitroxide radicals as bridging ligands in chain structures with a Cu-Nit-Ln-Nit-Ln-Nit-Ln-Nit] repeating unit. The dc magnetic studies show that ferromagnetic metal radical interactions take place in these heterotri-spin chain complexes, these and the next-neighbor interactions have been quantified for the Gd derivatives. Complexes 1Tb and 2Tb exhibit frequency dependence of ac magnetic susceptibilities, indicating single-chain magnet behavior.

Automated 3D Structure Inference of Civil Infrastructure Using a Stereo Camera Set

The commercial far-range (>10m) infrastructure spatial data collection methods are not completely automated. They need significant amount of manual post-processing work and in some cases, the equipment costs are significant. This paper presents a method that is the first step of a stereo videogrammetric framework and holds the promise to address these issues. Under this method, video streams are initially collected from a calibrated set of two video cameras. For each pair of simultaneous video frames, visual feature points are detected and their spatial coordinates are then computed. The result, in the form of a sparse 3D point cloud, is the basis for the next steps in the framework (i.e., camera motion estimation and dense 3D reconstruction). A set of data, collected from an ongoing infrastructure project, is used to show the merits of the method. Comparison with existing tools is also shown, to indicate the performance differences of the proposed method in the level of automation and the accuracy of results.