Memoria para optar el título de Bioquímico / La enzima piridoxal quinasa (PLK) pertenece a la familia de quinasas sin dominio menor de la superfamilia de la riboquinasa y cataliza la formación de piridoxal-5’-fosfato (PLP) a partir de piridoxal (PL) y de un complejo metal divalente–ATP (Me+2-ATP), siendo fundamental en la vía de salvataje de PLP en diversos organismos. PLP es la forma activa de la vitamina B-6 y es el segundo cofactor más usado en la naturaleza, luego del ATP, principalmente relacionado con el metabolismo de los compuestos aminos, como los aminoácidos. A partir de análisis filogenéticos se infirió que existen cuatro clados de PLK bien diferenciados, tres de los cuales corresponden al dominio de las bacterias y uno al dominio de los eucariontes, estando ausente el dominio de las arqueas, las que sólo poseen una vía de biosíntesis de novo de PLP. En el caso de las bacterias, uno de los clados corresponde a las proteínas que son homólogos cercanos del gen pdxK y los otros dos clados son homólogos cercanos del gen pdxY, donde en uno se encuentran las PLK de firmicutes, bacteroidetes, espiroquetas, fusobacterias y termotogales, mientras que en el otro se encuentran las PLK de proteobacterias, actinobacterias y deinococos-thermus. Además, se distinguieron tres motivos de secuencia conservados, los cuales corresponden a DPV, NXXE y GXGD, asociados a la unión de sustratos, unión de Mg+2 y la catálisis. La estructura de PLK de origen humano (hPLK) posee una alta similitud estructural con PLKs de otras fuentes, como de Ovis aries y Escherichia coli, salvo en algunos loops de la estrucura. hPLK, que fue expresada en E. coli, se purificó y caracterizó cinéticamente. En cuanto al uso de diferentes metales divalentes (Me+2), se observó que la mayor velocidad inicial se obtiene a bajas concentraciones de Zn+2 libre. En relación a los parámetros cinéticos, la Vmax fue de 4789 U/mg y la kcat de 3,2 s-1, en tanto, la Km para PL fue de 490 μM, mientras que para ZnATP-2 fue de 20 μM. El pH óptimo de hPLK fue de 6,4 en las condiciones usadas. Respecto a la regulación de la actividad enzimática, se determinó que hPLK es inhibida por PL, ZnATP-2 y Zn+2 libre, mientras que las especies ATP-4 y HATP-3 no generan cambios en la actividad de la enzima. La inhibición por Zn+2 libre posee un IC50 de 37 μM, en tanto que la Kd para Zn+2, determinada por fluorescencia intrínseca, es de 266 nM. El Zn2+ libre presenta un patrón de inhibición complejo: cuando se varía el sustrato ZnATP-2 los datos se ajustan a un modelo de inhibición denominado sistema C1 de tipo mixto lineal, mientras que cuando se varía el sustrato PL, los datos se ajustan a dos modelos, debido a que se observa un perfil de inhibición dual dependiendo de la concentración de Zn+2 libre. El primer modelo, que explica el comportamiento inhibitorio hasta una concentración de Zn+2 libre de 50 μM, es lo que se denomina sistema C5 de inhibición de tipo mixto hiperbólico, en tanto que el segundo modelo, que explica el comportamiento inhibitorio desde 50 μM a concentraciones mayores, corresponde a un modelo de inhibición incompetitiva modificado, en el cual se incluye la unión de un Zn+2 adicional a la enzima libre

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This work treat with the synthesis and characterization of new cobalt complexes with ligands derived from pyridoxal and their application as mimetics of the enzyme peroxidase. The complexes were structurally characterized by monocrystal X-ray diffraction and their redox behavior was studied by cyclic voltammetry. In the synthesis of the complexes, a reactivity pattern was observed with respect to the cobalt salts used, by selecting appropriately between Co(CH3COO)2 and CoCl2(PPh3)2, it was possible to obtain two sets of analogous mononuclear complexes. In one, the C-S bonds are cleaved from the organic ligands and in other hand, the cleavage of the C-S bond is not observed. Was also evidenced, it was evidenced the formation of dinuclear zwitterionic and tetranuclear complexes, due to the different coordination modes of the ligands used and the methodological differences. The complexes obtained were tested as mimetics of the enzyme peroxidase, presenting promising results. / Este trabalho trata da síntese e caracterização de novos complexos de cobalto com ligantes derivados do piridoxal, e de sua aplicação como miméticos da enzima peroxidase. Os complexos foram caracterizados estruturalmente por difração de raios X de monocristal e seu comportamento redox foi estudado por voltametria cíclica. Na síntese dos complexos, foi observado um padrão de reatividade com relação aos sais de cobalto utilizados, de modo que, selecionando-se adequadamente entre o Co(CH3COO)2 e o CoCl2(PPh3)2 foi possível obter duas séries de complexos mononucleares. Em uma delas, ocorre a cisão de ligações C-S dos ligantes orgânicos, enquanto na outra série, isto não é observado. Também foi evidenciada a formação de complexos dinucleares zwitteriônicos e tetranucleares, em decorrência dos diversos modos de coordenação dos ligantes utilizados e das diferenças metodológicas. Os complexos obtidos foram testados como miméticos da enzima peroxidase, apresentando resultados promissores.

A malaria humana é uma doença infecciosa transmitida por um mosquito que está atrelada a uma alta taxa de mortalidade. Dentre os parasitas que causam a malaria humana a espécie Plasmodium falciparum é responsável por 90% dos casos letais. Sua virulência é ocasionada por modificações na célula hospedeira provenientes do tráfego de proteínas para a superfície de eritrócitos infectados. Com o intuito de interferir com estas proteínas, aplicamos a técnica Cell- SELEX (do inglês: Systematic Evolution of Ligands by Exponential Enrichment). Após ciclos iterativos de seleção obtivemos moléculas de DNA simples- fita, conhecidas como aptâmeros, que possuem alta afinidade e especificidade contra proteínas alvo presentes na superfície de eritrócitos infectados por P. falciparum. Ensaios de pull- down usando aptâmeros selecionados em sistema de purificação por streptavidina-biotina seguidos por análises de espectrometria de massa revelaram a interação destas moléculas de DNA com proteínas como RIFIN, PfEMP, RAP1, entre outras incorporadas na superfície de eritrócitos infectados. Como consequência destas interações, os aptâmeros selecionados demostraram ser inibidores potenciais na proliferação dos parasitas, como demonstrado por testes in vitro. Outra estratégia usada foi a produção de aptâmeros contra a piridoxal quinase de P. falciparum (PfPdxK) expressa. Usando tanto SELEX-proteína, bem como, ensaios de eletroforese capilar, selecionamos aptâmeros com capacidade para inibir a atividade enzimática da PfPdxK. Nossos dados constituem evidências sobre as aplicações da tecnologia SELEX no desenho racional de compostos contra a malária humana. / The human malaria is a mosquito-borne infectious disease associated with a high risk of mortality. Among the parasite species that causes human malaria, Plasmodium falciparum is responsible by 90% of the lethal cases. The virulence of this pathogen is associated with host cell modifications by trafficking proteins to the surface of infected erythrocytes. Aiming to interfere with these proteins we have applied the Cell-SELEX (Systematic Evolution of Ligands by Exponential Enrichment) technology. After iterative cycles of selection we obtained single stranded DNA molecules, known as aptamers, with high binding affinity and specificity against protein targets present in the surface of erythrocytes infected with P. falciparum. Pull-down assays using the selected aptamers in a streptavidin-biotin affinity assay followed by mass spectrometry analysis revealed the interaction of these DNA molecules with proteins such as RIFIN, PfEMP, RAP1, among others embedded in the surface of infected erythrocytes. As consequence of these interactions, the selected aptamers demonstrated to be potent inhibitors of parasite proliferation, as validated by in vitro tests. Another strategy used was the production of aptamers against the recombinantly expressed plasmodial pyridoxal kinase (PfPdxK). Using both protein-SELEX as well as capillary electrophoresis assays, we selected aptamers with capacity to inhibit the enzymatic activity of PfPdxK. Our data constitute evidences about the application of SELEX technology in the rationale design of inhibitors against human malaria.

O metabolismo de vitamina B9 é um alvo terapêutico conhecido para malária. A vitamina B6 foi validada como essencial para o parasita. Esse trabalho analisa bioquimica- e estruturalmente mutantes da enzima piridoxal quinase, pela combinação de análises in silico associadas a ensaios bioquímicos. A estrutura da PdxK de P. falciparum permitiu a localização do sítio ativo e da interface de dimerização. Logo foram sugeridas mutações que alterassem esses resíduos para investigar sua importância. Dinâmica molecular sugere que a dimerização é responsável pela estabilidade do sítio ativo, algo coerente com a diminuição da atividade enzimática na maioria das mutantes. Filtração em gel aponta um equilíbrio entre a conformação monômero-dímero mostrando que as mutações na interface não estão relacionadas a dimerização, mas envolvidas com a estabilização do folding na região do sítio ativo. A mesma é recoberta por uma tampa que impede a auto-hidrólise do ATP, há também um resíduo serina que estabiliza a conformação do piridoxal durante a catálise, as mutações em ambas as regiões levaram a inativação da enzimática. A hipótese de que a interação da PfPdxK com ligantes de RNA não se mostrou conclusiva. / Vitamin B9 metabolism is a known drug-target for malaria. Vitamin B6 was validated as essential for the parasite. We analysed biochemically and structurally the plasmodial dimeric pyridoxal kinase. PfPdxKs allowed us to determine the localisation of the active site as well the interface between the two monomers and to identify the involved residues. Molecular dynamics shows that the PdxKs dimerization is important for the active sites stability, which was confirmed by the decrease of activity in mutants related to this region. Gel filtration revealed equilibrium of monomer-dimer conformation and therefore the interface mutations decrease in activity might not be directly related to the dimerization processes, but rather to the active site organisation. The active site region shows a serine involved in keeping the pyridoxals conformation during catalyses and the identified lid region covering the ATP binding site is responsible for preventing auto-hydrolysis. Substitution of the respective amino acid to alanine resulted in enzyme inactivation. In silico analysis of the PfPdxK spacer region identified nucleic acid binding sides, however RNA binding experiments failed so far and the possibility of protein-RNA binding remains for elucidation.

O metabolismo de vitamina B9 é um alvo terapêutico conhecido para malária. A vitamina B6 foi validada como essencial para o parasita. Esse trabalho analisa bioquimica- e estruturalmente mutantes da enzima piridoxal quinase, pela combinação de análises in silico associadas a ensaios bioquímicos. A estrutura da PdxK de P. falciparum permitiu a localização do sítio ativo e da interface de dimerização. Logo foram sugeridas mutações que alterassem esses resíduos para investigar sua importância. Dinâmica molecular sugere que a dimerização é responsável pela estabilidade do sítio ativo, algo coerente com a diminuição da atividade enzimática na maioria das mutantes. Filtração em gel aponta um equilíbrio entre a conformação monômero-dímero mostrando que as mutações na interface não estão relacionadas a dimerização, mas envolvidas com a estabilização do folding na região do sítio ativo. A mesma é recoberta por uma tampa que impede a auto-hidrólise do ATP, há também um resíduo serina que estabiliza a conformação do piridoxal durante a catálise, as mutações em ambas as regiões levaram a inativação da enzimática. A hipótese de que a interação da PfPdxK com ligantes de RNA não se mostrou conclusiva. / Vitamin B9 metabolism is a known drug-target for malaria. Vitamin B6 was validated as essential for the parasite. We analysed biochemically and structurally the plasmodial dimeric pyridoxal kinase. PfPdxKs allowed us to determine the localisation of the active site as well the interface between the two monomers and to identify the involved residues. Molecular dynamics shows that the PdxKs dimerization is important for the active sites stability, which was confirmed by the decrease of activity in mutants related to this region. Gel filtration revealed equilibrium of monomer-dimer conformation and therefore the interface mutations decrease in activity might not be directly related to the dimerization processes, but rather to the active site organisation. The active site region shows a serine involved in keeping the pyridoxals conformation during catalyses and the identified lid region covering the ATP binding site is responsible for preventing auto-hydrolysis. Substitution of the respective amino acid to alanine resulted in enzyme inactivation. In silico analysis of the PfPdxK spacer region identified nucleic acid binding sides, however RNA binding experiments failed so far and the possibility of protein-RNA binding remains for elucidation.

Tesis por compendio / [ES] Enmarcada en la línea de investigación de nuestro laboratorio sobre señalización por nitrógeno principalmente en la cianobacteria Synechococcus elongatus PCC7942, con esfuerzos centrados en las proteínas PII y PipX y su red de señalización, esta Tesis amplía el espectro de moléculas investigadas en relación con dicha red. Estudia y caracteriza el miembro no canónico de la superfamilia de la proteína PII denominado CutA, generalmente anotado como de protección frente a metales divalentes, altamente conservado en todos los dominios de la vida (incluidos animales y el ser humano). En ella examinamos la posible protección frente a metales provista por CutA en dos bacterias muy distantes, Escherichia coli y Synechococcus elongatus, usando knockouts para ambas del gen que codifica para CutA. Ni los estudios de complementación en E. coli del gen silvestre ni los observacionales de sensibilidad a metales en S. elongatus han dado soporte a la función anotada para CutA, a pesar de que demostramos mediante seguimiento turbidimétrico que el Cu2+ hace agregar a la proteína CutA pura de S. elongatus (producida recombinantemente) y por tanto se une a ella, aunque con una afinidad baja por comparación con las concentraciones tóxicas de este metal para dicha cianobacteria. Buscando profundizar en el conocimiento de CutA, hemos determinado a muy alta resolución mediante difracción de rayos X la estructura de esta proteína de S. elongatus, sin evidenciar complejo alguno con cobre, pero demostrando que los tres bolsillos intersubunidades en el homotrímero de CutA son capaces de transportar moléculas orgánicas (en nuestro caso Bis-Tris). Estos resultados apoyan una posible función de CutA basada en la unión a estos bolsillos de biomoléculas neutras o positivamente cargadas y capaces de formar varios puentes de hidrógeno con las paredes de potencial negativo y fuerte carácter polar de estos bolsillos. También hemos estudiado la proteína PipY de S. elongatus, identificada recientemente como pareja funcional de la antes mencionada PipX, determinando sus propiedades espectroscópicas, unión de piridoxal fosfato (PLP) y resolviendo su estructura mediante difracción de rayos X. Probamos que PipY es monomérica y que tiene PLP unido. Su estructura no apoya que sea un enzima, siendo aparentemente apropiada para ejercer una posible función en la homeostasis de PLP. Dado que muy recientemente se ha descrito una epilepsia genética humana dependiente de vitamina B6 debida a mutaciones en el gen humano ortólogo de pipY, PROSC (ahora llamado PLPBP; codifica la proteína PLPHP), usamos inicialmente PipY de S. elongatus y luego PROSC humana como banco de pruebas de la patogenicidad de las mutaciones que se han asociado a esta epilepsia, utilizando para ello mutagénesis dirigida y producción de las formas silvestre y mutantes de estas proteínas, comparando sus propiedades. Estos estudios han demostrado la patogenicidad y establecido mecanismos para la misma para cada una de las mutaciones de cambio de sentido de PROSC descritas hasta ahora en esta epilepsia. Nuestros estudios han representado un importante avance en la comprensión de las proteínas de tipo PipY y de la epilepsia asociada a la forma humana de las mismas. / [CA] Emmarcada en la línia d'investigació del nostre laboratori de senyalització per nitrogen principalment en el cianobacteri Synechococcus elongatus PCC7942, amb esforços centrats en les proteïnes PII i PipX i la seua xarxa de senyalització, esta Tesi amplia l'espectre de molècules investigades en relació amb la dita xarxa. Estudia i caracteritza el membre no canònic de la superfamília de la proteïna PII denominat CutA, generalment anotat com de protecció a metalls divalents, altament conservat en tots els dominis de la vida (inclosos animals i l'ésser humà). En ella examinem la possible protecció front a metalls proveïda per CutaA en dos bacteris molt distants, Escherichia coli i Synechococcus elongatus, usant knockouts del gen que codifica CutA per a ambdues. Ni els estudis de complementació en E. coli del gen silvestre ni els observacionals de sensibilitat a metalls en S. elongatus han donat suport a la funció anotada per CutA, tot i que vam demostrar mitjançant seguiment turbidimétric que el Cu2 + fa agregar a la proteïna CutA pura de S. elongatus (produïda de forma recombinant) i per tant s'uneix a ella, encara que amb una afinitat baixa per comparació amb les concentracions tòxiques d'aquest metall per a aquest cianobacteri. Buscant aprofundir en el coneixement de CutA, hem determinat a molt alta resolució mitjançant difracció de raigs X l'estructura d'aquesta proteïna de S. elongatus, sense evidenciar cap complex amb coure, però demostrant que les tres cavitats formades entre les subunitats del homotrimer de CutA són capaços de transportar molècules orgàniques (en el nostre cas Bis-Tris). Aquests resultats donen suport a una possible funció de CutA basada en la unió a aquestes cavitats de biomolècules neutres o positivament carregades i capaços de formar diversos ponts d'hidrogen amb les parets de potencial negatiu i fort caràcter polar d'aquestes cavitats. També hem estudiat la proteïna PipY de S. elongatus, identificada recentment com a parella funcional de l'abans esmentada PipX, determinant les seves propietats espectroscòpiques, unió de piridoxal fosfat (PLP) i resolent la seva estructura mitjançant difracció de raigs X. Vam provar que PipY és monomèrica i que té PLP unit. La seva estructura no recolza que sigui un enzim, sent aparentment apropiada per a exercir una possible funció en l'homeòstasi de PLP. Atès que molt recentment s'ha descrit una epilèpsia genètica humana dependent de vitamina B6 deguda a mutacions en el gen humà ortòleg de pipY, PROSC (ara anomenat PLPBP; codifica la proteïna PLPHP), fem servir inicialment PipY de S. elongatus i després PROSC humana com banc de proves de la patogenicitat de les mutacions que s'han associat a aquesta epilèpsia, utilitzant mutagènesi dirigida i produint les formes silvestre i mutants d'aquestes proteïnes, comparant les seves propietats. Aquests estudis han demostrat la patogenicitat i establert mecanismes per a la mateixa per a cadascuna de les mutacions de canvi de sentit de PROSC descrites fins ara en aquesta epilèpsia. Els nostres estudis han representat un important avanç en la comprensió de les proteïnes de tipus PipY i de l'epilèpsia associada a la forma humana de les mateixes. / [EN] In the context of research of our laboratory on nitrogen signaling mainly in the cyanobacterium Synechococcus elongatus PCC7942, with efforts focused on the PII and PipX proteins and their signaling network, this Thesis extends the spectrum of molecules investigated in relation to such network. It studies and characterizes the non-canonical member of the PII protein superfamily named CutA, a highly conserved protein in all domains of life (including animals and humans) which is generally annotated as protecting against divalent metals. We examine the possible protection provided by CutA against metals, using knockouts for the CutA-encoding gene of two phylogenetically distant bacteria, Escherichia coli and Synechococcus elongatus PCC7942. Neither complementation studies in E. coli by the wild-type gene, nor observational studies of sensitivity to metals in the S. elongatus knockout have supported the function annotated for CutA, although we show by turbidimetric monitoring that Cu2+ causes aggregation of pure S. elongatus CutA (produced recombinantly) and therefore binds to it, although with a low affinity by comparison with the concentrations of this metal that are toxic for this cyanobacterium. Aiming at getting further insight into CutA, we have determined at very high resolution, by X-ray diffraction, the structure of this protein of S. elongatus, failing to observe Cu2+ bound in this structure, but showing that the three pockets formed at intersubunit boundaries in the CutA homotrimer are capable of transporting organic molecules (in our case Bis-Tris) without inducing conformational changes in the protein. This finding supports a possible function of CutA based on the binding to these pockets of neutral or positively charged biomolecules capable of forming several hydrogen bonds with the pocket walls, which are endowed with negative potential and have a strong polar character. We have also studied the PipY protein of S. elongatus, recently identified as a functional partner of the aforementioned PipX, determining its spectroscopic properties, binding of pyridoxal phosphate (PLP) and solving its structure by X-ray diffraction. We prove that PipY is monomeric and has PLP attached. Its structure does not favor an enzymatic role of PipY, being more appropriate for exerting a possible function in the homeostasis of PLP. Given the very recent description of a human vitamin B6-dependent genetic epilepsy associated to mutations in the human orthologue of the pipY gene, PROSC (now called PLPBP, encoding the PROSC protein, now named PLPHP), we used first S. elongatus PipY and afterwards and more extensively human PROSC to test by site-directed mutagenesis the pathogenicity of the mutations that have been associated with this epilepsy. These studies have demonstrated the pathogenicity and established mechanisms for this pathogenicity for each of the missense mutations reported thus far in patients with PROSC-associated epilepsy. Our studies represent an important advance in the understanding of PipY-like proteins and of epilepsy associated with the human form thereof. / Para la realización de esta Tesis, Lorena Tremiño Agulló ha disfrutado de una Beca de Formación de Personal Investigador (FPI) (BES-2012-058304) otorgado por el Ministerio de Economía, Industria y Competitividad. El trabajo se ha llevado a cabo en el grupo 739 del CIBERER-Instituto de Salud Carlos III (IP, V. Rubio) y se ha enmarcado dentro de los proyectos: -“Luz estructural sobre señalización y regulación por nitrógeno y sobre biosíntesis de arginina/urea, sus errores congénitos, y su conexión con biología del envejecimiento”, (BFU2011-30407) del Ministerio de Economía y Competitividad del Gobierno de España (Investigador principal,V. Rubio). -“Una mirada molecular al control de la detoxificación de amonio y a sus patologías y errores congénitos, y a la señalización por amonio. En busca del papel de la proteína CutA”, (BFU2014-58229) del Ministerio de Economía y Competitividad del Gobierno de España (Investigador principal, V. Rubio). -"BioMeder. Genes, proteínas y rutas de señalización en enfermedades raras" (PrometeoII/2014/029) de la Conselleria d'Educació de la Generalitat Valenciana (investigadores, P. Sanz, A. Marina y V. Rubio). / Tremiño Agulló, L. (2019). Bases estructurales de la señalización y regulación por nitrógeno y procesos asociados [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/117999 / TESIS / Compendio