Dissecting cell cycle protein complexes using the pptimized yeast cytosine deaminase protein-fragment complementation assay “You too can play with an edge”

Les protéines sont les produits finaux de la machinerie génétique. Elles jouent des rôles essentiels dans la définition de la structure, de l'intégrité et de la dynamique de la cellule afin de promouvoir les diverses transformations chimiques requises dans le métabolisme et dans la transmission des signaux biochimique. Nous savons que la doctrine centrale de la biologie moléculaire: un gène = un ARN messager = une protéine, est une simplification grossière du système biologique. En effet, plusieurs ARN messagers peuvent provenir d’un seul gène grâce à l’épissage alternatif. De plus, une protéine peut adopter plusieurs fonctions au courant de sa vie selon son état de modification post-traductionelle, sa conformation et son interaction avec d’autres protéines. La formation de complexes protéiques peut, en elle-même, être déterminée par l’état de modifications des protéines influencées par le contexte génétique, les compartiments subcellulaires, les conditions environmentales ou être intrinsèque à la croissance et la division cellulaire. Les complexes protéiques impliqués dans la régulation du cycle cellulaire sont particulièrement difficiles à disséquer car ils ne se forment qu’au cours de phases spécifiques du cycle cellulaire, ils sont fortement régulés par les modifications post-traductionnelles et peuvent se produire dans tous les compartiments subcellulaires. À ce jour, aucune méthode générale n’a été développée pour permettre une dissection fine de ces complexes macromoléculaires. L'objectif de cette thèse est d'établir et de démontrer une nouvelle stratégie pour disséquer les complexes protéines formés lors du cycle cellulaire de la levure Saccharomyces cerevisiae (S. cerevisiae). Dans cette thèse, je décris le développement et l'optimisation d'une stratégie simple de sélection basée sur un essai de complémentation de fragments protéiques en utilisant la cytosine déaminase de la levure comme sonde (PCA OyCD). En outre, je décris une série d'études de validation du PCA OyCD afin de l’utiliser pour disséquer les mécanismes d'activation des facteurs de transcription et des interactions protéine-protéines (IPPs) entre les régulateurs du cycle cellulaire. Une caractéristique clé du PCA OyCD est qu'il peut être utilisé pour détecter à la fois la formation et la dissociation des IPPs et émettre un signal détectable (la croissance des cellules) pour les deux types de sélections. J'ai appliqué le PCA OyCD pour disséquer les interactions entre SBF et MBF, deux facteurs de transcription clés régulant la transition de la phase G1 à la phase S. SBF et MBF sont deux facteurs de transcription hétérodimériques composés de deux sous-unités : une protéine qui peut lier directement l’ADN (Swi4 ou Mbp1, respectivement) et une protéine commune contenant un domain d’activation de la transcription appelée Swi6. J'ai appliqué le PCA OyCD afin de générer un mutant de Swi6 qui restreint ses activités transcriptionnelles à SBF, abolissant l’activité MBF. Nous avons isolé des souches portant des mutations dans le domaine C-terminal de Swi6, préalablement identifié comme responsable dans la formation de l’interaction avec Swi4 et Mbp1, et également important pour les activités de SBF et MBF. Nos résultats appuient un modèle où Swi6 subit un changement conformationnel lors de la liaison à Swi4 ou Mbp1. De plus, ce mutant de Swi6 a été utilisé pour disséquer le mécanisme de régulation de l’entrée de la cellule dans un nouveau cycle de division cellulaire appelé « START ». Nous avons constaté que le répresseur de SBF et MBF nommé Whi5 se lie directement au domaine C-terminal de Swi6. Finalement, j'ai appliqué le PCA OyCD afin de disséquer les complexes protéiques de la kinase cycline-dépendante de la levure nommé Cdk1. Cdk1 est la kinase essentielle qui régule la progression du cycle cellulaire et peut phosphoryler un grand nombre de substrats différents en s'associant à l'une des neuf protéines cycline régulatrice (Cln1-3, Clb1-6). Je décris une stratégie à haut débit, voir à une échelle génomique, visant à identifier les partenaires d'interaction de Cdk1 et d’y associer la cycline appropriée(s) requise(s) à l’observation d’une interaction en utilisant le PCA OyCD et des souches délétées pour chacune des cyclines. Mes résultats nous permettent d’identifier la phase(s) du cycle cellulaire où Cdk1 peut phosphoryler un substrat particulier et la fonction potentielle ou connue de Cdk1 pendant cette phase. Par exemple, nous avons identifié que l’interaction entre Cdk1 et la γ-tubuline (Tub4) est dépendante de Clb3. Ce résultat est conforme au rôle de Tub4 dans la nucléation et la croissance des faisceaux mitotiques émanant des centromères. Cette stratégie peut également être appliquée à l’étude d'autres IPPs qui sont contrôlées par des sous-unités régulatrices.

The Nuclear Export Receptor Xpo1p Forms Distinct Complexes with NES Transport Substrates and the Yeast Ran Binding Protein 1 (Yrb1p)

Xpo1p (Crm1p) is the nuclear export receptor for proteins containing a leucine-rich nuclear export signal (NES). Xpo1p, the NES-containing protein, and GTP-bound Ran form a complex in the nucleus that translocates across the nuclear pore. We have identified Yrb1p as the major Xpo1p-binding protein in Saccharomyces cerevisiae extracts in the presence of GTP-bound Gsp1p (yeast Ran). Yrb1p is cytoplasmic at steady-state but shuttles continuously between the cytoplasm and the nucleus. Nuclear import of Yrb1p is mediated by two separate nuclear targeting signals. Export from the nucleus requires Xpo1p, but Yrb1p does not contain a leucine-rich NES. Instead, the interaction of Yrb1p with Xpo1p is mediated by Gsp1p-GTP. This novel type of export complex requires the acidic C-terminus of Gsp1p, which is dispensable for the binding to importin β-like transport receptors. A similar complex with Xpo1p and Gsp1p-GTP can be formed by Yrb2p, a relative of Yrb1p predominantly located in the nucleus. Yrb1p also functions as a disassembly factor for NES/Xpo1p/Gsp1p-GTP complexes by displacing the NES protein from Xpo1p/Gsp1p. This Yrb1p/Xpo1p/Gsp1p complex is then completely dissociated after GTP hydrolysis catalyzed by the cytoplasmic GTPase activating protein Rna1p.

A computational analysis of substrate binding strength by phosphorylase kinase and protein kinase A

Protein kinases exhibit various degrees of substrate specificity. The large number of different protein kinases in the eukaryotic proteomes makes it impractical to determine the specificity of each enzyme experimentally. To test if it were possible to discriminate potential substrates from non-substrates by simple computational techniques, we analysed the binding enthalpies of modelled enzyme-substrate complexes and attempted to correlate it with experimental enzyme kinetics measurements. The crystal structures of phosphorylase kinase and cAMP-dependent protein kinase were used to generate models of the enzyme with a series of known peptide substrates and non-substrates, and the approximate enthalpy of binding assessed following energy minimization. We show that the computed enthalpies do not correlate closely with kinetic measurements, but the method can distinguish good substrates from weak substrates and non-substrates. Copyright (C) 2002 John Wiley Sons, Ltd.

Visualisation of human rad52 protein and its complexes with hRad51 and DNA.

The human Rad52 protein stimulates joint molecule formation by hRad51, a homologue of Escherichia coli RecA protein. Electron microscopic analysis of hRad52 shows that it self-associates to form ring structures with a diameter of approximately 10 nm. Each ring contains a hole at its centre. hRad52 binds to single and double-stranded DNA. In the ssDNA-hRad52 complexes, hRad52 was distributed along the length of the DNA, which exhibited a characteristic "beads on a string" appearance. At higher concentrations of hRad52, "super-rings" (approximately 30 nm) were observed and the ssDNA was collapsed upon itself. In contrast, in dsDNA-hRad52 complexes, some regions of the DNA remained protein-free while others, containing hRad52, interacted to form large protein-DNA networks. Saturating concentrations of hRad51 displaced hRad52 from ssDNA, whereas dsDNA-Rad52 complexes (networks) were more resistant to hRad51 invasion and nucleoprotein filament formation. When Rad52-Rad51-DNA complexes were probed with gold-conjugated hRad52 antibodies, the presence of globular hRad52 structures within the Rad51 nucleoprotein filament was observed. These data provide the first direct visualisation of protein-DNA complexes formed by the human Rad51 and Rad52 recombination/repair proteins.

Probabilistic contact preferences in protein-ligand and protein-protein complexes

Modeller för intermolekulär växelvärkan utnyttjas brett inom biologin. Analys av kontakter mellan proteiner och läkemedelsforskning representerar typiska tillämpningsområden för dylika modeller. En modell som beskriver sådana molekylära växelverkningar kan utformas med hjälp av biofysisk teori, vilket tenderar att resultera i ytterst tung beräkningsbörda även för enkla tillämpningar. Ett alternativt sätt att formulera modeller är att utnyttja stora databaser som innehåller strukturmätningar gjorda med hjälp av till exempel röntgendiffraktion. Då man använder sig av empiriska mätdata direkt, möjliggör en statistisk modell att osäkerheten och inexaktheten i datat tas till hänsyn på ett adekvat sätt, samtidigt som beräkningsbördan håller sig på en rimligare nivå jämfört med kvantmekaniska metoder som i princip borde ge de optimala resultaten. I avhandlingen utvecklades en 3D modell för numerisk undersökning av intermolekulär växelverkan baserad på Bayesiansk statistik. Modellens syfte är att åstadkomma prognoser för det hurdana eller vilka molekylstrukturer prefereras i en given kontext, d.v.s. är mer sannolika inom ramen för interaktion. Modellen testades i essentiella molekyläromgivningar - en liten molekyl vid sin bindningsplats hos ett protein och en gränsyta mellan proteinerna i ett komplex. De erhållna numeriska resultaten motsvarar väl experimentella resultat som tidigare rapporterats i litteraturen, exempelvis kvalitativa bindningsaffiniteter och kemisk kännedom av vissa aminosyrors rumsliga förmågor att utgöra bindningar. I avhandlingen gjordes ytterligare preliminära tester av den statistiska ansatsen för modellering av den centrala molekylära strukturella anpassningsbarheten. I praktiken är den utvecklade modellen ämnad som ett led i en mer omfattande analysmetod, så som en s.k. farmakofor modell. Molekyylivuorovaikutusten mallintamista hyödynnetään laajasti biologisten kysymysten tarkastelussa. Tyypillisiä esimerkkejä sovelluskohteista ovat proteiinien väliset kontaktit ja lääkesuunnittelu. Vuorovaikutuksia kuvaavan mallin lähtökohta voi olla molekyyleihin liittyvä teoria, jolloin soveltamiseen liittyvä laskenta saattaa olla erityisen raskasta, tai suuri havaintojoukko joka on saatu aikaan esimerkiksi mittaamalla rakenteita röntgendiffraktio menetelmällä. Tilastollinen malli mahdollistaa havaintoaineistossa olevan epätarkkuuden ja epävarmuuden huomioimisen, samalla pitäen laskennallisen kuorman pienempänä verrattuna periaatteessa parhaan tuloksen antavaan kvanttimekaaniseen mallinnukseen. Väitöstyössä kehitettiin bayesiläiseen tilastotieteeseen perustuva 3D malli molekyylien välisten vuorovaikutusten laskennalliseen tarkasteluun. Mallin tehtävä on tuottaa ennusteita sen suhteen, minkä tai millaisten molekyylirakenteiden väliset kompleksit ovat etusijalla, toisin sanoen todennäköisempiä, vuorovaikutustilanteessa. Työssä kehitetyn menetelmän toimivuutta testattiin käyttötarkoituksen suhteen olennaisissa molekyyliympäristöissä - pieni molekyyli sitoutumiskohdassaan proteiinissa sekä rajapinta kahden proteiinin välilllä proteiinikompleksissa. Saadut laskennalliset tulokset vastasivat hyvin vertailuun käytettyjä kirjallisuudesta saatuja kokeellisia tuloksia, kuten laadullisia sitoutumisaffiniteetteja, sekä kemiallista tietoa esimerkiksi tiettyjen aminohappojen avaruudellisesta sidoksenmuodostuksesta. Väitöstyössä myös alustavasti testattiin tilastollista lähestymistapaa tärkeän molekyylien rakenteellisen mukautuvuuden mallintamiseen. Käytännössä malli on tarkoitettu osaksi jotakin laajempaa analyysimenetelmää, kuten farmakoforimallia.

Studying Coxiella burnetii Type IV Substrates in the Yeast Saccharomyces cerevisiae: Focus on Subcellular Localization and Protein Aggregation.

Coxiella burnetii is a Gram-negative obligate parasitic bacterium that causes the disease Q-fever in humans. To establish its intracellular niche, it utilizes the Icm/Dot type IVB secretion system (T4BSS) to inject protein effectors into the host cell cytoplasm. The host targets of most cognate and candidate T4BSS-translocated effectors remain obscure. We used the yeast Saccharomyces cerevisiae as a model to express and study six C. burnetii effectors, namely AnkA, AnkB, AnkF, CBU0077, CaeA and CaeB, in search for clues about their role in C. burnetii virulence. When ectopically expressed in HeLa cells, these effectors displayed distinct subcellular localizations. Accordingly, GFP fusions of these proteins produced in yeast also decorated distinct compartments, and most of them altered cell growth. CaeA was ubiquitinated both in yeast and mammalian cells and, in S. cerevisiae, accumulated at juxtanuclear quality-control compartments (JUNQs) and insoluble protein deposits (IPODs), characteristic of aggregative or misfolded proteins. AnkA, which was not ubiquitinated, accumulated exclusively at the IPOD. CaeA, but not AnkA or the other effectors, caused oxidative damage in yeast. We discuss that CaeA and AnkA behavior in yeast may rather reflect misfolding than recognition of conserved targets in the heterologous system. In contrast, CBU0077 accumulated at vacuolar membranes and abnormal ER extensions, suggesting that it interferes with vesicular traffic, whereas AnkB associated with the yeast nucleolus. Both effectors shared common localization features in HeLa and yeast cells. Our results support the idea that C. burnetii T4BSS effectors manipulate multiple host cell targets, which can be conserved in higher and lower eukaryotic cells. However, the behavior of CaeA and AnkA prompt us to conclude that heterologous protein aggregation and proteostatic stress can be a limitation to be considered when using the yeast model to assess the function of bacterial effectors.

Cationic technetium and rhenium complexes with pendant carbohydrates

Three carbohydrate conjugated dipicolylamine chelators, 2-bis(2-pyridinylmethyl)amino)ethyl 1-deoxy-1-thio-beta-D-glucopyranoside (L(1)), 2-bis(2-pyridinylmethyl)amino)ethyl-beta-D-glucopyranoside (L(2)), and 2-bis(2-pyridinylmethyl)amino)carboxamide-N-(2-amino-2-deoxy-D-glucopyranose) (L(3)) were complexed to the [M(Co)(3)](+) core (M=Tc, Re) and the properties of the resulting complexes were investigated. Synthesis and characterization of the chelator 2-bis(2-pyridinylmethyl)amino)ethyl 1-deoxy-1-thio-beta-D-glucopyranoside (L(1)) and the corresponding Re complex are reported. All chelators were radiolabeled in high yield with [(99)mTc(CO)(3)(H(2)O)(3)](+) ( > 98%) and [(186)Re(CO)(3)(H(2)O)(3)](+) ( > 80%). The chelators and Re-complexes were determined to not be substrates for the glucose metabolism enzyme hexokinase. However, the biodistribution of each of the (99m)Tc complexes demonstrated fast clearance from most background tissue, including >75% clearance of the activity in the kidneys and the liver within 2 h post-injection. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Analysis of Intracellular Substrates and Products of Thimet Oligopeptidase in Human Embryonic Kidney 293 Cells

Thimet oligopeptidase (EC 3.4.24.15; EP24.15) is an intracellular enzyme that has been proposed to metabolize peptides within cells, thereby affecting antigen presentation and G protein-coupled receptor signal transduction. However, only a small number of intracellular substrates of EP24.15 have been reported previously. Here we have identified over 100 peptides in human embryonic kidney 293 (HEK293) cells that are derived from intracellular proteins; many but not all of these peptides are substrates or products of EP24.15. First, cellular peptides were extracted from HEK293 cells and incubated in vitro with purified EP24.15. Then the peptides were labeled with isotopic tags and analyzed by mass spectrometry to obtain quantitative data on the extent of cleavage. A related series of experiments tested the effect of overexpression of EP24.15 on the cellular levels of peptides in HEK293 cells. Finally, synthetic peptides that corresponded to 10 of the cellular peptides were incubated with purified EP24.15 in vitro, and the cleavage was monitored by high pressure liquid chromatography and mass spectrometry. Many of the EP24.15 substrates identified by these approaches are 9-11 amino acids in length, supporting the proposal that EP24.15 can function in the degradation of peptides that could be used for antigen presentation. However, EP24.15 also converts some peptides into products that are 8-10 amino acids, thus contributing to the formation of peptides for antigen presentation. In addition, the intracellular peptides described here are potential candidates to regulate protein interactions within cells.

Caspase substrates and neurodegenerative diseases.

Apoptosis is induced by the cleavage of a subset of cellular proteins by proteases of the caspase family. Numerous (hundreds) caspase substrates have been described but only for a few of them is the function of their cleavage by caspases well understood. In this review, apoptosis and caspases will first be introduced. The main focus will then be directed to the caspase substrates, the actual "workers" doing the job of mediating and regulating the apoptotic process. The caspase substrates whose functions upon cleavage have been carefully investigated and those that are potentially involved in neurodegenerative diseases will be discussed in detail.

Study of protein complexes

Summary : A lot of information can be obtained on proteins when proteomics methods are used. In our study, we aimed to characterize complexes containing pro-apoptotic proteins by different proteomics methods and finally focused on PIDD (p53-induced protein with a death domain), for which the most interesting results were obtained. PIDD has been shown to function as a molecular switch between genotoxic stress-induced apoptotis and genotoxic stress-induced cell survival through NF-κB activation. To exert these two functions, PIDD forms alternate complexes respectively with caspase2 and CRADD on one hand and RIP 1 and NEMO on the other hand. The first part of our study focuses on the processing of PIDD. PIDD full length (FL) is constitutively cleaved into three fragments, an N-terminal one (PIDD-N) and two fragments containing the C-terminus (PIDD-C and PIDD-CC). Localization of the two PIDD cleavage sites by mass spectrometry (MS) allowed to understand that PIDD is probably not cleaved by proteases but is subject to protein (self-)splicing and also to map the PIDD-N, PIDD-C and PIDD-CC fragments exactly. Further characterization of these three fragments by Tinel et al. (Tinel et al., 2007) showed that PIDD-C is involved in activation of an apoptotic pathway while PIDD-CC is involved in NF-κB activation. We also found that PIDD is subject to proline-directed phosphorylation at two serine residues in PIDD-N, the regulatory fragment of PIDD. The second part of the study aimed at identifying by proteomics techniques proteins that co-purify with PIDD and therefore are putative cellular interaction partners. In this respect we analyzed samples obtained in different conditions or with different PIDD constructs corresponding to processed fragments. This allowed us to identify a large number of potential interactors for PIDD. For example, by comparing data obtained from PIDD-C and PIDD-FL affinity purifications, we found that the Hsp90 chaperone system interacts strongly with PIDD-N. In the third part of this study, we developed methods to selectively and rapidly quantify by MS proteins of interest in PIDD affinity purifications or negative controls. Using these tools we detected significant changes in PIDD-FL-copurifying proteins treated by heat shock. Overall, our studies provide informative data on the processing of PIDD and its possible involvement in several molecular pathways.

Modeling Metal Protein Complexes from Experimental Extended X-ray Absorption Fine Structure using Computational Intelligence

Experimental Extended X-ray Absorption Fine Structure (EXAFS) spectra carry information about the chemical structure of metal protein complexes. However, pre- dicting the structure of such complexes from EXAFS spectra is not a simple task. Currently methods such as Monte Carlo optimization or simulated annealing are used in structure refinement of EXAFS. These methods have proven somewhat successful in structure refinement but have not been successful in finding the global minima. Multiple population based algorithms, including a genetic algorithm, a restarting ge- netic algorithm, differential evolution, and particle swarm optimization, are studied for their effectiveness in structure refinement of EXAFS. The oxygen-evolving com- plex in S1 is used as a benchmark for comparing the algorithms. These algorithms were successful in finding new atomic structures that produced improved calculated EXAFS spectra over atomic structures previously found.

Systematic analysis of protein complexes involved in the human RNA polymerase II machinery

La transcription, la maturation d’ARN, et le remodelage de la chromatine sont tous des processus centraux dans l'interprétation de l'information contenue dans l’ADN. Bien que beaucoup de complexes de protéines formant la machinerie cellulaire de transcription aient été étudiés, plusieurs restent encore à identifier et caractériser. En utilisant une approche protéomique, notre laboratoire a purifié plusieurs composantes de la machinerie de transcription de l’ARNPII humaine par double chromatographie d’affinité "TAP". Cette procédure permet l'isolement de complexes protéiques comme ils existent vraisemblablement in vivo dans les cellules mammifères, et l'identification de partenaires d'interactions par spectrométrie de masse. Les interactions protéiques qui sont validées bioinformatiquement, sont choisies et utilisées pour cartographier un réseau connectant plusieurs composantes de la machinerie transcriptionnelle. En appliquant cette procédure, notre laboratoire a identifié, pour la première fois, un groupe de protéines, qui interagit physiquement et fonctionnellement avec l’ARNPII humaine. Les propriétés de ces protéines suggèrent un rôle dans l'assemblage de complexes à plusieurs sous-unités, comme les protéines d'échafaudage et chaperonnes. L'objectif de mon projet était de continuer la caractérisation du réseau de complexes protéiques impliquant les facteurs de transcription. Huit nouveaux partenaires de l’ARNPII (PIH1D1, GPN3, WDR92, PFDN2, KIAA0406, PDRG1, CCT4 et CCT5) ont été purifiés par la méthode TAP, et la spectrométrie de masse a permis d’identifier de nouvelles interactions. Au cours des années, l’analyse par notre laboratoire des mécanismes de la transcription a contribué à apporter de nouvelles connaissances et à mieux comprendre son fonctionnement. Cette connaissance est essentielle au développement de médicaments qui cibleront les mécanismes de la transcription.

Self-assembly of PS-PVP block copolymers and their complexes at the air/water interface

Une compréhension approfondie et un meilleur contrôle de l'auto-assemblage des copolymères diblocs (séquencés) et de leurs complexes à l'interface air/eau permettent la formation contrôlée de nanostructures dont les propriétés sont connues comme alternative à la nanolithographie. Dans cette thèse, des monocouches obtenues par les techniques de Langmuir et de Langmuir-Blodgett (LB) avec le copolymère dibloc polystyrène-poly(4-vinyl pyridine) (PS-PVP), seul ou complexé avec de petites molécules par liaison hydrogène [en particulier, le 3-n-pentadécylphénol (PDP)], ont été étudiées. Une partie importante de notre recherche a été consacrée à l'étude d'une monocouche assemblée atypique baptisée réseau de nanostries. Des monocouches LB composées de nanostries ont déjà été rapportées dans la littérature mais elles coexistent souvent avec d'autres morphologies, ce qui les rend inutilisables pour des applications potentielles. Nous avons déterminé les paramètres moléculaires et les conditions expérimentales qui contrôlent cette morphologie, la rendant très reproductible. Nous avons aussi proposé un mécanisme original pour la formation de cette morphologie. De plus, nous avons montré que l'utilisation de solvants à haut point d’ébullition, non couramment utilisés pour la préparation des films Langmuir, peut améliorer l'ordre des nanostries. En étudiant une large gamme de PS-PVP avec des rapports PS/PVP et des masses molaires différents, avec ou sans la présence de PDP, nous avons établi la dépendance des types principaux de morphologie (planaire, stries, nodules) en fonction de la composition et de la concentration des solutions. Ces observations ont mené à une discussion sur les mécanismes de formation des morphologies, incluant la cinétique, l’assemblage moléculaire et l’effet du démouillage. Nous avons aussi démontré pour la première fois que le plateau dans l'isotherme des PS-PVP/PDP avec morphologie de type nodules est relié à une transition ordre-ordre des nodules (héxagonal-tétragonal) qui se produit simultanément avec la réorientation du PDP, les deux aspects étant clairement observés par AFM. Ces études ouvrent aussi la voie à l'utilisation de films PS-PVP/PDP ultraminces comme masque. La capacité de produire des films nanostructurés bien contrôlés sur différents substrats a été démontrée et la stabilité des films a été vérifiée. Le retrait de la petite molécule des nanostructures a fait apparaître une structure interne à explorer lors d’études futures.