Calpains are intracellular enzymes that merge cysteine protease and calcium sensing activities together in one molecule. They respond to Ca2+ signals and modify the activity of their targets by selective proteolysis. Calpains are involved in normal cellular process like cell migration and apoptosis. The over-activation of calpain due to disturbances in Ca2+ homeostasis or inactivation due to mutations, contribute to diseases like ischemic injury and muscular dystrophy. The classical calpains 1 and 2 are heterodimeric enzymes containing a large (80 kDa) subunit and a small subunit (28 kDa). Dimerization occurs through the 5th EF-hand of penta-EF-hand (PEF) domains present in both large and small subunits. In this study, I have used structural genomics approaches to explore the PEF and C2-like regulatory domains of some of the other 12 human calpain isoforms. I have shown that recombinant PEF domain of skeletal muscle-specific calpain 3 exists as a stable homodimer when produced alone. Modelling studies suggest that there would be no barriers for dimerization of the full-length enzyme through the PEF domains which would place the protease cores at opposite ends of the dimer. Co-expression studies using small subunit were performed with PEF domains of calpains 1, 3, 8, 9, 11, 12 and 13. A differential tagging system was devised to differentiate heterodimers from homodimers. The PEF domains of calpains 1, 3, 9 and 13 co-expressed with the small subunit, while the others failed to express. The PEF domains of calpains 1 and 9 formed heterodimers. Conversely, the PEF domain of calpain 3 formed a homodimer and that of calpain 13 predominantly formed a homodimer with a small amount of heterodimer. Homodimerization of calpains implies they are less-likely to be inhibited by the endogenous calpain inhibitor, calpastatin. C2-like regulatory domains of calpains 5-13 were also studied. The structure of the distal C2-like domain of calpain 7 was solved. It is markedly different from canonical C2 domains and may not bind Ca2+. / Thesis (Ph.D, Biochemistry) -- Queen's University, 2009-02-11 12:30:29.18

Thesis advisor: Mary F. Roberts / Thesis advisor: Eranthie Weerapana / Peripheral proteins from mammals often exhibit multi-domain structures and require metal ions such as calcium as co-factors. This dissertation investigates two types of such proteins -- pulmonary collectins (surfactant proteins A and D) and phosphatidylinositol-specific phospholipase C (PLC) delta1 -- and their interactions with model membranes. One approach to work around the complexity brought upon by such multi-domain protein structure is to use a truncated construct or an isolated single domain. For pulmonary collectins, homotrimers consisting of the neck domain and the carbohydrate recognition domain were used in a novel NMR assay for better understanding of their lipid-specific interactions with the membranes. For PLC delta1, we were particularly interested in the role of the EF-hand domain. The isolated EF-hand domain of PLC delta1 was first used to characterize its interactions with membranes and identify key residues responsible for such interactions. These key residues in the N terminal lobe of the EF-hand domain, either cationic or hydrophobic, were then found to affect the hydrolysis activity of the full-length enzyme. A common role for this region of the PLC in facilitating proper membrane association was thus proposed. / Thesis (PhD) — Boston College, 2013. / Submitted to: Boston College. Graduate School of Arts and Sciences. / Discipline: Chemistry.

Centrinas são proteínas componentes essenciais nos centro organizadores de microtubulos em diversos organismos. Pertencem à família das proteínas EF-Hand ligantes de cálcio e podem ser divididas em duas subfamílias: uma definida pela centrina da alga Chlamydomonas reinhardtii CrCenp, associada a funções contráteis, e a outra pela centrina da levedura Saccharomices cerevisiae ScCdc31p, relacionada a duplicação de centros mitóticos. Curiosamente o fungo Blastocladiella emersonii possui duas formas de centrinas em seu genoma : BeCen1 mais parecida com a CrCenp, e BeCen3 com a ScCdc31p, enquanto todos os outros fungos já descritos possuem apenas uma forma, pertencente ao grupo ScCdc31p. Diante desse fato curioso, descrito em 2005, estudos estruturais e termodinâmicos comparativos entre as proteínas recombinantes BeCen1 e BeCen3, foram desenvolvidos para identificar e caracterizar diferenças relevantes, que pudessem justificar a presença dessas duas proteínas no fungo Blatocladiella emersonii. Ambas as centrinas foram expressas em E. coli e purificadas por cromatografia, resultando em um rendimento de aproximadamente 5mg/l. Analises estruturais foram realizadas utilizando técnicas de dicroísmo circular (CD) , fluorescência, espalhamento de luz (DLS e RALS), microscopias de força atômica (AFM) e eletrônica de transmissão (MET). Por calorimetria de titulação isotérmica (ITC) parâmetros termodinâmicos foram obtidos para BeCen1 e BeCen3 em relação a ligação de cálcio. Ambas apresentaram conteúdo predominante de hélices alfa e diferenças físico-químicas e estruturais marcantes. BeCen1, após desnaturação a 90ºC e deixada a temperatura de 4°C por 24 horas horas, mostrou um espectro de CD compatível com um processo de reenovelamento; a TM foi de 42°C e aumentou cerca de 4°C na forma holo; os espectros de CD são modificados na presença de cálcio, mostrando uma forma característica de movimentação de hélices das proteínas ligantes de cálcio; pelos dados obtidos por ITC liga cálcio em três sítios EF-Hand por uma reação endotérmica; na presença de magnésio apresentou mudanças conformacionais, compatíveis com a ligação deste nos sítios de cálcio; a partir de 40°C é observado um processo de agregação chegando a formação de filamentos, que foram visualizados por AFM e MET. BeCen3 após ser desnaturada e colocada nas mesmas condições de BeCen1, permanece desnaturada; A TM é de 49°C e aumentou em aproximadamente 5°C na forma holo; os espectros de CD, na presença de cálcio, apresentam aspectos característicos de movimentação de -hélices das proteínas ligantes de cálcio; liga cálcio em apenas dois sítios EF-Hand por uma reação exotérmica, sofre mudanças conformacionais na presença de magnésio e a partir de 30°C já sofre um processo de agregação, formando filamentos. Neste trabalho foi estabelecido o primeiro protocolo para a expressão e purificação das centrinas de B. emersonii, além dos estudos de caracterização estrutural e termodinâmica destas proteínas. O estudo também foi pioneiro quanto a obtenção de imagens no processo de formação de filamentos destas centrinas na ausência de cálcio. As centrinas de B. emersonii apresentam diferenças importantes nas respostas em função da presença de cálcio e também do magnésio. Os dados obtidos são fortes indicativos que estas centrinas têm mecanismos de ação diferentes dentro do fungo B. emersonii. / Centrin proteins are essential component of the microtubule organizing centers in a large range of organisms. They belong to the EF-Hand calcium binding proteins family e can be divided in two subfamilies: one defined by the green algae Chlamydomonas reinhardtii CrCenp, related to contractile functions and the other centrin of the yeast Saccharomices cerevisiae ScCdc31p, related to duplication of centrossome mitotic centers. Interesantly, Blastocladiella emersonii fungus posses two centrin forms in it genome: BeCen1 closely related to CrCenp and BeCen3 closely related to ScCdc31p. All other known fungus have only one form of centrin: ScCdc31p. With this curious finding, described in 2005, compared structural and thermodynamics studies between recombinant proteins BeCen1 and BeCen3 were performed, in attempt to identify relevant differences that could explain the presence of two forms of centrins in this fungus. Both centrins were expressed in E. coli and purified by chromatography resulting in 5mg/l protein yield. Structural analyses were performed with circular dichroism (CD), fluorescence, light scattering (DLS AND RALS), atomic force microscopy (AFM) and transmission electronic microscopy (TEM). Using isothermal titration calorimetry (ITC) thermodynamics parameters about the calcium binding were defined. Both showed alpha helix predominant content and structural physical-chemistry differences. After denaturation at 90°C and cooled overnight at 4°C, BeCen1 showed a CD spectrum consistent to a renaturation process; the calculated TM was 42°C and raised 4°C in the holo state; CD spectra were modified under calcium presence showing characteristics changes of calcium binding proteins; ITC data exhibited tree calcium binding motifs through an endothermic reaction and the presence of magnesium also showed conformational changes; From 40°C a aggregation process leading to filament formation was observed and visualized with AFM and TEM. After denaturation at 90°C and cooled overnight at 4°C, BeCen3 remained denaturated; Calculated TM was 49°C and raised 5°C in the holo state; CD spectra were modified under calcium presence showing characteristics changes of calcium binding proteins; ITC data exhibited only two calcium binding motifs through an exothermic reaction and the presence of magnesium also showed conformational changes; From 30°C BeCen3 already suffered a aggregation process forming filaments. In this study it was established the first expression and purification protocol for B. emersonii centrins, besides the structural and thermodynamic characterization of these proteins. This is the first study containing filaments images of the centrins of B. emersonii. These centrins showed important response differences in calcium and magnesium binding. All the obtained data are strong indications that the two centrins have distinct functions in the fungus.

Centrinas são proteínas componentes essenciais nos centro organizadores de microtubulos em diversos organismos. Pertencem à família das proteínas EF-Hand ligantes de cálcio e podem ser divididas em duas subfamílias: uma definida pela centrina da alga Chlamydomonas reinhardtii CrCenp, associada a funções contráteis, e a outra pela centrina da levedura Saccharomices cerevisiae ScCdc31p, relacionada a duplicação de centros mitóticos. Curiosamente o fungo Blastocladiella emersonii possui duas formas de centrinas em seu genoma : BeCen1 mais parecida com a CrCenp, e BeCen3 com a ScCdc31p, enquanto todos os outros fungos já descritos possuem apenas uma forma, pertencente ao grupo ScCdc31p. Diante desse fato curioso, descrito em 2005, estudos estruturais e termodinâmicos comparativos entre as proteínas recombinantes BeCen1 e BeCen3, foram desenvolvidos para identificar e caracterizar diferenças relevantes, que pudessem justificar a presença dessas duas proteínas no fungo Blatocladiella emersonii. Ambas as centrinas foram expressas em E. coli e purificadas por cromatografia, resultando em um rendimento de aproximadamente 5mg/l. Analises estruturais foram realizadas utilizando técnicas de dicroísmo circular (CD) , fluorescência, espalhamento de luz (DLS e RALS), microscopias de força atômica (AFM) e eletrônica de transmissão (MET). Por calorimetria de titulação isotérmica (ITC) parâmetros termodinâmicos foram obtidos para BeCen1 e BeCen3 em relação a ligação de cálcio. Ambas apresentaram conteúdo predominante de hélices alfa e diferenças físico-químicas e estruturais marcantes. BeCen1, após desnaturação a 90ºC e deixada a temperatura de 4°C por 24 horas horas, mostrou um espectro de CD compatível com um processo de reenovelamento; a TM foi de 42°C e aumentou cerca de 4°C na forma holo; os espectros de CD são modificados na presença de cálcio, mostrando uma forma característica de movimentação de hélices das proteínas ligantes de cálcio; pelos dados obtidos por ITC liga cálcio em três sítios EF-Hand por uma reação endotérmica; na presença de magnésio apresentou mudanças conformacionais, compatíveis com a ligação deste nos sítios de cálcio; a partir de 40°C é observado um processo de agregação chegando a formação de filamentos, que foram visualizados por AFM e MET. BeCen3 após ser desnaturada e colocada nas mesmas condições de BeCen1, permanece desnaturada; A TM é de 49°C e aumentou em aproximadamente 5°C na forma holo; os espectros de CD, na presença de cálcio, apresentam aspectos característicos de movimentação de -hélices das proteínas ligantes de cálcio; liga cálcio em apenas dois sítios EF-Hand por uma reação exotérmica, sofre mudanças conformacionais na presença de magnésio e a partir de 30°C já sofre um processo de agregação, formando filamentos. Neste trabalho foi estabelecido o primeiro protocolo para a expressão e purificação das centrinas de B. emersonii, além dos estudos de caracterização estrutural e termodinâmica destas proteínas. O estudo também foi pioneiro quanto a obtenção de imagens no processo de formação de filamentos destas centrinas na ausência de cálcio. As centrinas de B. emersonii apresentam diferenças importantes nas respostas em função da presença de cálcio e também do magnésio. Os dados obtidos são fortes indicativos que estas centrinas têm mecanismos de ação diferentes dentro do fungo B. emersonii. / Centrin proteins are essential component of the microtubule organizing centers in a large range of organisms. They belong to the EF-Hand calcium binding proteins family e can be divided in two subfamilies: one defined by the green algae Chlamydomonas reinhardtii CrCenp, related to contractile functions and the other centrin of the yeast Saccharomices cerevisiae ScCdc31p, related to duplication of centrossome mitotic centers. Interesantly, Blastocladiella emersonii fungus posses two centrin forms in it genome: BeCen1 closely related to CrCenp and BeCen3 closely related to ScCdc31p. All other known fungus have only one form of centrin: ScCdc31p. With this curious finding, described in 2005, compared structural and thermodynamics studies between recombinant proteins BeCen1 and BeCen3 were performed, in attempt to identify relevant differences that could explain the presence of two forms of centrins in this fungus. Both centrins were expressed in E. coli and purified by chromatography resulting in 5mg/l protein yield. Structural analyses were performed with circular dichroism (CD), fluorescence, light scattering (DLS AND RALS), atomic force microscopy (AFM) and transmission electronic microscopy (TEM). Using isothermal titration calorimetry (ITC) thermodynamics parameters about the calcium binding were defined. Both showed alpha helix predominant content and structural physical-chemistry differences. After denaturation at 90°C and cooled overnight at 4°C, BeCen1 showed a CD spectrum consistent to a renaturation process; the calculated TM was 42°C and raised 4°C in the holo state; CD spectra were modified under calcium presence showing characteristics changes of calcium binding proteins; ITC data exhibited tree calcium binding motifs through an endothermic reaction and the presence of magnesium also showed conformational changes; From 40°C a aggregation process leading to filament formation was observed and visualized with AFM and TEM. After denaturation at 90°C and cooled overnight at 4°C, BeCen3 remained denaturated; Calculated TM was 49°C and raised 5°C in the holo state; CD spectra were modified under calcium presence showing characteristics changes of calcium binding proteins; ITC data exhibited only two calcium binding motifs through an exothermic reaction and the presence of magnesium also showed conformational changes; From 30°C BeCen3 already suffered a aggregation process forming filaments. In this study it was established the first expression and purification protocol for B. emersonii centrins, besides the structural and thermodynamic characterization of these proteins. This is the first study containing filaments images of the centrins of B. emersonii. These centrins showed important response differences in calcium and magnesium binding. All the obtained data are strong indications that the two centrins have distinct functions in the fungus.