Submitted by Angelo Silva (asilva@icict.fiocruz.br) on 2016-07-20T13:39:16Z No. of bitstreams: 2 license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) 71856.pdf: 4125758 bytes, checksum: e4a473daf62a159c4c49a6416a47c48b (MD5) / Approved for entry into archive by Anderson Silva (avargas@icict.fiocruz.br) on 2016-07-28T19:26:07Z (GMT) No. of bitstreams: 2 71856.pdf: 4125758 bytes, checksum: e4a473daf62a159c4c49a6416a47c48b (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-07-28T19:26:07Z (GMT). No. of bitstreams: 2 71856.pdf: 4125758 bytes, checksum: e4a473daf62a159c4c49a6416a47c48b (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2016 / Fundação Oswaldo Cruz. Instituto Oswaldo Cruz. Rio de Janeiro, RJ, Brasil / Desde a década de 1990, a comunidade científica tem relatado um número crescente de proteínas e trechos que não apresentam uma conformação tridimensional estável e única, mas que são biologicamente ativas, o que contrasta o paradigma estrutura-função de uma proteína. Essas proteínas podem ser denominadas como Proteínas Intrinsecamente Desordenadas (IDPs), já os trechos como Regiões Intrinsecamente Desordenadas (IDRs). As IDPs e IDRs apresentam características de composição de aminoácidos que as identificam. Além disso, como foi relatado para o protozoário Plasmodium falciparum, as IDPs e IDRs podem favorecer a relação parasito-hospedeiro. Causada por espécies do fungo Cryptococcus spp., a criptococose é uma doença que afeta principalmente pacientes com imunidade comprometida e é a principal causa de mortalidade entre os pacientes portadores do vírus HIV. Dentro deste contexto, avaliamos computacionalmente o papel biológico das IDPs e IDRs em 12 proteomas preditos de Cryptococcus spp. Para tanto, avaliamos as diferentes ferramentas computacionais disponíveis para a predição ab initio dessa interessante classe de proteínas. Parte do processo analítico envolveu a reanotação desses 12 genomas, tendo este trabalho contribuído para a anotação estrutural e funcional de oito genomas (57.680 novos genes anotados) para os quais não havia informação em banco de dados de domínio público Dentre os 11 preditores avaliados em nossas análises, cinco foram selecionados com base em seu emprego em larga escala (DisEMBL, empregando as abordagens REM465 e HOTLOOPS, GlobPlot, IUPred e ANCHOR). A análise comparativa entre os grupos virulentos e não virulentos não revelou diferença estatisticamente significativa. Além disso, considerando as sequências consenso das predições, encontramos um conteúdo de aproximadamente 60-70% de proteínas em cada proteoma analisado, com pelo menos uma IDR de no mínimo 40 resíduos de aminoácidos consecutivos. Já os resultados referentes à análise de agrupamento revelaram que das 18.900 proteínas presentes no core genome dos 12 organismos, 11.409 apresentam pelo menos uma IDR. Outro ponto observado foi que muitas IDPs ou IDRs estão participando de diversos processos biológicos, estão relacionadas aos fatores de virulência do fungo e/ou atuando como enzimas em vias metabólicas distintas. Neste estudo hipotetizamos e descrevemos o papel funcional vital dessas proteínas em vários processos biológicos nos genomas de Cryptococcus spp / Since the 1990s, the scientific community has reported an increasing number of proteins and protein regions that don´t have a stable and unique three-dimensional conformation, but which are biologically active, which contrasts the structure-function paradigm of a protein. These proteins are called Intrinsically Disordered Proteins (IDPs) and the regions, Intrinsically Disordered Regions (IDRs). IDPs and IDRs have compositional biases that characterize them. Moreover, as has been reported for the parasite Plasmodium falciparum, IDPs and IDRs can favor the host-parasite relationship. Caused by species of the fungus Cryptococcus spp., Cryptococcosis is a disease that primarily affects patients with compromised immunity and is the leading cause of mortality among patients with HIV. Within this context, we evaluated computationally the biological role of IDPs and IDRs on 12 predicted Cryptococcus spp. proteomes. Therefore, we evaluated the various computer tools available for ab initio prediction of this interesting class of proteins. Part of the analytical process involved annotation of these 12 genomes, and this work contributed to the structural and functional annotation of eight genomes (57,680 new genes annotated) for which there was no information on the public domain databases Among the 11 predictors evaluated in our analysis, five were selected based on their large-scale use (DisEMBL, employing REM465 and HOTLOOPS approaches, GlobPlot, IUPred and ANCHOR). The comparative analysis between virulent and non-virulent groups showed no statistically significant difference. Furthermore, considering the consensus sequences of the predictions, we found a content of approximately 60-70% of proteins on each proteome with at least one IDR with at least 40 consecutive amino acid residues. Regarding the results of the cluster analysis, we observed that, from the 18,900 proteins present in the core genome of the analyzed organisms, 11,409 have at least one IDR. Another point observed was that IDPs or IDRs are participating in many biological processes, are related to virulence factors of the fungus and/or acting as enzymes in different metabolic pathways. In this study we hypothesize and describe the vital functional role of these proteins in various biological processes in the genomes of Cryptococcus spp

The Golgi complex is an organelle responsible for receiving synthesized cargo from the endoplasmic reticulum for subsequent post-translations modifications, sorting and secretion. A family of proteins named Golgi Reassembly and Stacking Proteins (GRASP) is essential for the correct assembly and laterally tethering of the Golgi cisternae, a necessary structuration to keep this organelle working correctly. The GRASP structure is mainly composed of two regions: an N-terminal formed by two PDZ domains connected by a short loop (GRASP domain) and a non-conserved C-terminal region, rich in serine and proline residues. Although there are now a few crystal structures solved for the N-terminal domain, it is surprising to notice that no information is currently available regarding a full-length protein or even about dynamic and structural differences between the two PDZs in solution, which is the main functional region of this protein. Using a full-length GRASP model, we were capable of detecting the coexistence of regular secondary structures and large amounts of disordered regions. The overall structure is less compact than a regular globular protein and the high structural flexibility makes its hydrophobic core more accessible to solvent. GRASP coexist in a dynamic conformational ensemble of a µs-ms timescale. Our results indicate an unusual behavior of GRASP in solution, closely resembling a class of collapsed intrinsically disordered proteins called molten globule. We report here also the disorder-to-order transition propensities for a native molten globule-like protein in the presence of different mimetics of cell conditions. Changes in the dielectric constant (such as those experienced close to the membrane surface) seem to be the major factor capable of inducing several disorder-to-order transitions in GRASP, which seems to show very distinct behavior when in conditions that mimic the vicinity of the membrane surface as compared to those found when free in solution. Other folding factors such as molecular crowding, counter ions, pH and phosphorylation exhibit lower or no effect on GRASP secondary structure and/or stability. This is the first study focusing on understanding the disorder-to-order transitions of a molten globule structure without the need for any mild denaturing condition. Regarding the PDZs that form the GRASP domain, we observed that GRASPs are formed by a more unstable and flexible PDZ1 and much more stable and structurally well-behaved PDZ2. More than that, many of the unstable regions found in PDZ1 are in the predicted binding pocket, suggesting a structural promiscuity inside this domain that correlates with the functional promiscuity of interacting with multiple protein partners. This thesis presents the first structural characterization of a full-length GRASP, the first model of how GRASPs (or any molten globule-like protein) can be modulated by the cell during different cell functionalities and the first work in the community proving that the established idea that both PDZs are structurally equivalent is not completely right / O complexo de Golgi é um organela responsável pela recepção de carga sintetizada no retículo endoplasmático e por subsequente modificações pós-traducionais, classificação e secreção. Uma família de proteínas chamada Golgi Reassembly and Stacking Proteins (GRASP) é essencial para o correto empilhamento das cisternas e conexões laterais das pilhas do complexo de Golgi, uma estruturação necessária para manter essa organela funcionando corretamente. A estrutura das GRASPs é composta de duas regiões principais: uma extensão N-terminal formado por dois domínios PDZ conectados por um loop (domínio GRASP) e uma região C-terminal não conservada, rica em resíduos de serina e prolina. Embora existam algumas estruturas cristalográficas resolvidas para o domínio N-terminal, é surpreendente notar que não havia nenhuma informação na literatura sobre a construção inteira de um GRASP, ou mesmo um estudo detalhado sobre os PDZs no N-terminal em solução, que é a principal região funcional dessa proteína. Usando um modelo de GRASP em sua construção completa, fomos capazes de detectar a coexistência de estruturas secundárias regulares e grandes quantidades de regiões desordenadas. A estrutura é menos compacta do que uma proteína globular e a alta flexibilidade estrutural torna o seu núcleo hidrofóbico mais acessível ao solvente. GRASPs coexistem em um conjunto conformacional dinâmico numa escala de tempo característico de s-ms. Nossos resultados indicam um comportamento incomum da GRASP em solução, similar à de uma classe de proteínas intrinsicamente desordenadas colapsadas conhecidas como glóbulos fundidos. Nós relatamos também as propensões de transição estrutural do tipo desordem-ordem para uma proteína glóbulo fundido nativa, induzidas pela presença de diferentes miméticos de condições celulares especificas. A mudança na constante dielétrica do meio (como as experimentadas próximas à superfície da membrana biológica) é o principal modulador estrutural, capaz de induzir múltiplas transições desordem-ordem na GRASP, sugerindo um comportamento muito distinto quando em condições que imitam a vizinhança da superfície da membrana em comparação com os encontrados quando livre em solução. Outros fatores de enovelamento, tais como o molecular crowding, contra-ions, pH e a fosforilação exibem efeitos menores (ou nenhum) na estrutura secundária e/ou estabilidade da GRASP. Este é o primeiro estudo focado na compreensão das transições desordem-ordem em uma estrutura do tipo glóbulo fundido sem que houvesse a necessidade de qualquer condição desnaturante. Em relação aos PDZs que formam o domínio GRASP, observamos que as GRASPs são formadas por um PDZ1 mais instável e flexível e um PDZ2 muito mais estável e estruturalmente bem comportado. Mais do que isso, muitas das regiões instáveis encontradas no PDZ1 estão no predito bolsão de ligação, sugerindo uma promiscuidade estrutural dentro desse domínio que se correlaciona com a promiscuidade funcional de interação com múltiplos parceiros proteicos. É apresentado nesta tese a primeira caracterização estrutural de uma GRASP em sua forma completa, o primeiro modelo de como as GRASPs (ou qualquer proteína em forma de glóbulo fundido) pode ser modulada estruturalmente pela célula durante diferentes funcionalidades e o primeiro trabalho na comunidade provando que a estabelecido ideia de que ambos os PDZs são estruturalmente equivalentes não é completamente correta

The Golgi complex is an organelle responsible for receiving synthesized cargo from the endoplasmic reticulum for subsequent post-translations modifications, sorting and secretion. A family of proteins named Golgi Reassembly and Stacking Proteins (GRASP) is essential for the correct assembly and laterally tethering of the Golgi cisternae, a necessary structuration to keep this organelle working correctly. The GRASP structure is mainly composed of two regions: an N-terminal formed by two PDZ domains connected by a short loop (GRASP domain) and a non-conserved C-terminal region, rich in serine and proline residues. Although there are now a few crystal structures solved for the N-terminal domain, it is surprising to notice that no information is currently available regarding a full-length protein or even about dynamic and structural differences between the two PDZs in solution, which is the main functional region of this protein. Using a full-length GRASP model, we were capable of detecting the coexistence of regular secondary structures and large amounts of disordered regions. The overall structure is less compact than a regular globular protein and the high structural flexibility makes its hydrophobic core more accessible to solvent. GRASP coexist in a dynamic conformational ensemble of a µs-ms timescale. Our results indicate an unusual behavior of GRASP in solution, closely resembling a class of collapsed intrinsically disordered proteins called molten globule. We report here also the disorder-to-order transition propensities for a native molten globule-like protein in the presence of different mimetics of cell conditions. Changes in the dielectric constant (such as those experienced close to the membrane surface) seem to be the major factor capable of inducing several disorder-to-order transitions in GRASP, which seems to show very distinct behavior when in conditions that mimic the vicinity of the membrane surface as compared to those found when free in solution. Other folding factors such as molecular crowding, counter ions, pH and phosphorylation exhibit lower or no effect on GRASP secondary structure and/or stability. This is the first study focusing on understanding the disorder-to-order transitions of a molten globule structure without the need for any mild denaturing condition. Regarding the PDZs that form the GRASP domain, we observed that GRASPs are formed by a more unstable and flexible PDZ1 and much more stable and structurally well-behaved PDZ2. More than that, many of the unstable regions found in PDZ1 are in the predicted binding pocket, suggesting a structural promiscuity inside this domain that correlates with the functional promiscuity of interacting with multiple protein partners. This thesis presents the first structural characterization of a full-length GRASP, the first model of how GRASPs (or any molten globule-like protein) can be modulated by the cell during different cell functionalities and the first work in the community proving that the established idea that both PDZs are structurally equivalent is not completely right / O complexo de Golgi é um organela responsável pela recepção de carga sintetizada no retículo endoplasmático e por subsequente modificações pós-traducionais, classificação e secreção. Uma família de proteínas chamada Golgi Reassembly and Stacking Proteins (GRASP) é essencial para o correto empilhamento das cisternas e conexões laterais das pilhas do complexo de Golgi, uma estruturação necessária para manter essa organela funcionando corretamente. A estrutura das GRASPs é composta de duas regiões principais: uma extensão N-terminal formado por dois domínios PDZ conectados por um loop (domínio GRASP) e uma região C-terminal não conservada, rica em resíduos de serina e prolina. Embora existam algumas estruturas cristalográficas resolvidas para o domínio N-terminal, é surpreendente notar que não havia nenhuma informação na literatura sobre a construção inteira de um GRASP, ou mesmo um estudo detalhado sobre os PDZs no N-terminal em solução, que é a principal região funcional dessa proteína. Usando um modelo de GRASP em sua construção completa, fomos capazes de detectar a coexistência de estruturas secundárias regulares e grandes quantidades de regiões desordenadas. A estrutura é menos compacta do que uma proteína globular e a alta flexibilidade estrutural torna o seu núcleo hidrofóbico mais acessível ao solvente. GRASPs coexistem em um conjunto conformacional dinâmico numa escala de tempo característico de s-ms. Nossos resultados indicam um comportamento incomum da GRASP em solução, similar à de uma classe de proteínas intrinsicamente desordenadas colapsadas conhecidas como glóbulos fundidos. Nós relatamos também as propensões de transição estrutural do tipo desordem-ordem para uma proteína glóbulo fundido nativa, induzidas pela presença de diferentes miméticos de condições celulares especificas. A mudança na constante dielétrica do meio (como as experimentadas próximas à superfície da membrana biológica) é o principal modulador estrutural, capaz de induzir múltiplas transições desordem-ordem na GRASP, sugerindo um comportamento muito distinto quando em condições que imitam a vizinhança da superfície da membrana em comparação com os encontrados quando livre em solução. Outros fatores de enovelamento, tais como o molecular crowding, contra-ions, pH e a fosforilação exibem efeitos menores (ou nenhum) na estrutura secundária e/ou estabilidade da GRASP. Este é o primeiro estudo focado na compreensão das transições desordem-ordem em uma estrutura do tipo glóbulo fundido sem que houvesse a necessidade de qualquer condição desnaturante. Em relação aos PDZs que formam o domínio GRASP, observamos que as GRASPs são formadas por um PDZ1 mais instável e flexível e um PDZ2 muito mais estável e estruturalmente bem comportado. Mais do que isso, muitas das regiões instáveis encontradas no PDZ1 estão no predito bolsão de ligação, sugerindo uma promiscuidade estrutural dentro desse domínio que se correlaciona com a promiscuidade funcional de interação com múltiplos parceiros proteicos. É apresentado nesta tese a primeira caracterização estrutural de uma GRASP em sua forma completa, o primeiro modelo de como as GRASPs (ou qualquer proteína em forma de glóbulo fundido) pode ser modulada estruturalmente pela célula durante diferentes funcionalidades e o primeiro trabalho na comunidade provando que a estabelecido ideia de que ambos os PDZs são estruturalmente equivalentes não é completamente correta