Evolutionary relationships amongst strains of the fungal genus Leptographium and related taxa were inferred using the internal transcribed spacer (ITS) region of the nuclear ribosomal DNA repeat. To generate robust sequence alignments for phylogenetic analysis the relationship between DNA sequence variability and RNA structural conservation of ITS segments was examined. The results demonstrate that structural conservation of helical regions is facilitated by compensatory base changes, compensating insertions/deletions, and, possibly, RNA strand slippage. A high mol % G+C bias for ITS1 and ITS2 and structural constraints at the RNA level appear to limit the types of changes observed. Fifty strains of Leptographium were screened for the presence of introns within mitochondrial genes. Superimposing intron survey data onto the ITS-derived phylogenetic tree reveals that introns are absent from the small ribosomal RNA (rns) gene of all strains of L. procerum yet are found in all strains of L. lundbergii. Amongst members of L. wingfieldii, L. terebrantis, and L. truncatum intron distribution is stochastic and is not correlated to the evolutionary relationships amongst strains. A group II intron/LAGLIDADG homing endonuclease gene (HEG) composite element from the mt rns gene of L. truncatum strain CBS929.85 was characterized. Intron-catalyzed splicing was tested using ORF-less and ORF-containing precursor transcripts, and both versions of the intron readily self-splice under moderate temperature and ionic conditions (37 °C and 6 mM MgCl2). Cleavage activity of the intron-encoded protein (I-LtrII) was tested using an N-terminal His6-tagged and near native protein. The homing endonuclease cleaves double-stranded DNA 2 nucleotides upstream of the intron insertion site within the exon, generating 4 nucleotide 3’ OH overhangs. Intron splicing is not enhanced by the addition of I-LtrII and RNA-binding assays indicate that the His6-tagged protein does not bind to the intron. Phylogenetic relationships amongst the rns gene, intron, and amino acid sequences were inferred. An evolutionary model of the composite element is proposed in which the HEG invaded a group II intron and mobilized it. The mobile genetic element may be transmitted vertically amongst L. lundbergii strains and horizontally through lateral gene transfer amongst strains of L. wingfieldii, L. terebrantis, and L. truncatum.

Une des causes principales de la Maladie d’Alzheimer et des autres Tauopathies est la présence d’enchevêtrements neurofibrillaires (ENF). Les ENF sont des agrégations intracellulaires de la protéine Tau hyperphosphorylée. Plusieurs études ont montré que les ENF sont associés à la pathogénèse des troubles neurodégénératifs et à la neurotoxicité. De plus, il a été démontré qu’une diminution du niveau de la protéine Tau permet de prévenir les déficits cognitifs dans les modèles murins. Basé sur ces études, notre hypothèse de recherche est que réduire le niveau total de Tau dans le cerveau, pourrait diminuer les ENF et retarder la pathologie. Notre objectif est de développer une molécule capable de cibler l’ARNm de Tau plutôt que la protéine Tau hyperphosphorylée. Ainsi, nous avons développé le SOFA-delta ribozyme, capable de cliver l’ARNm de Tau. Notre ribozyme a trois composantes soit le bloqueur, le biosenseur et l’effecteur. Nous avons développé des deltaribozymes capable cibler les exons constitutifs et l’exon 10 (spécifique au Tau4R) de l’ARNm de Tau, ainsi nous pouvons cibler tous les isoformes de Tau. Dans ce projet, nous avons tout d’abord synthétisé le deltaribozyme par clonage moléculaire et nous avons confirmé son effet grâce au clivage in vitro. Dans un second temps, nous avons transfecté le ribozyme dans des cellules neuronales, et nous avons caractérisé son effet sur l’ARNm de Tau par RT-PCR. Enfin, nous avons produit des virus AAV, infecté des cellules neuronales et caractérisé encore une fois l’effet du ribozyme sur l’ARNm de Tau par RT-PCR. Cette approche thérapeutique est basée sur la spécificité et l’efficacité du SOFA-delta-ribozyme, qui identifie et coupe l’ARNm de Tau. Ainsi, dans ce mémoire nous avons identifié le ribozyme 350 et 395 comme candidats potentiellement capable de cliver l’ARNm de Tau. / One of the main causes of Alzheimer’s disease and Tauopathies is the presence of neurofibrillary tangles (NFT). NFT consist in intracellular aggregation of the abnormally hyperphophorylated protein Tau. Several studies have shown that NFT are associated with the pathogenesis of neurodegenerative disorders and neurotoxicity. Moreover, it has been demonstrated that decreasing the level of Tau protein could prevent cognitive deficits in mouse models. Based on these studies, our hypothesis is that reducing the level of total Tau in the brain could decrease NFTs and delay the pathology. Our objective is to design a molecule that will target directly Tau mRNA instead of the hyperphosphorylated protein. We developed a modified delta-ribozyme, the SOFA (Specific On/Off Adaptor) ribozyme, which is able to cleave the Tau mRNA. Our ribozyme is composed of three components: the blocker, the biosensor, and the effector. We have designed delta-ribozymes that target constitutive exons of Tau mRNA as well as the exon 10 specific of Tau 4R. Therefore, we can target all the Tau isoforms. In this project, we first synthesized the delta-ribozyme by molecular cloning and we confirmed its effect by in vitro cleavage. Secondly, by transfecting it in neuronal cells we characterized its effects on Tau mRNA by RT-PCR. Finally, we produced AAV viruses and infected neuronal cells and characterized its effects on Tau mRNA by RT-PCR. This therapeutic approach is based on specificity and efficiency of the SOFA-ribozymes, which identify and cut the Tau mRNA. Thus, in this project we identified ribozymes 350 and 395 as potential good candidates able to cleave the Tau mRNA.

Les ARNnc sont impliqués dans la régulation de l’expression des gènes via divers mécanismes. Ils adoptent des structures 3D composées à 70% de pb WC formant des hélices de types A liées entre elles par des jonctions modulaires ayant des caractéristiques géométriques spécifiques. Nous avons identifié un nouveau motif 3D d’ARN apparenté au kturn, le pk-turn. Le pk-turn, situé dans la RNase P bactérienne permet, comme le k-turn, la formation d’un angle de 60° entre les hélices P16 & P17 avec cependant des exigences de séquences et de structure différentes. Le 2nd ribozyme qui a focalisé mon attention est le LCrz observé dans l’intron siamois (GIR2/LCrz) identifié dans le pré-ARNr 18S de la petite sous unité du ribosome eucaryote du myxomycète D. iridis. LCrz catalyse une réaction de branchement, équivalente à la première étape de l’épissage par les introns de groupe II, dans un contexte structural proche des introns du groupe I. Nous avons résolu la structure cristallographique du LCrz à une résolution de 2.5Å révélant un repliement inattendu. Cette structure a été confirmée par des expériences de SAXS. Ce travail nous permet de souligner la relation entre structure et fonction dans l'évolution des ribozymes. / NcRNA represent most of primary transcripts RNA in higher eukaryotes and tune gene expression via diverse mechanisms. They adopt 3D structures composed at 70% by WC bp forming A-form helices linked by RNA motifs. We identified the pk-turn, a new RNA motif related to k-turns that allow for the formation of a bend of 60° between stems P16 and P17 from the bacterial RNaseP. Yet it features different sequence and structural requirements than k-turns. The 2nd ribozyme which got my attention is the LCrz inserted in GIR2, a group I intron. This twintron is observed in the pre-rRNA 18S of the small subunit of the eukaryoteD. iris. LCrz catalyzes a reaction equivalent to the first step of splicing by group II introns, but in a structural context related to group I introns. We solved the 2.5 Å crystal structure of the LCrz and confirmed the unexpected shape by means of SAXS experiments. This work emphasizes the relationship between structure and function in the evolution of ribozymes.

Le virus de l'hépatite delta humaine (VHD) est un pathogène infectieux qui est associé à une hépatite fulminante chez l'humain. Ce virus possède un génome circulaire d'ARN simple brin comportant deux régions auto-catalytiques (ribozymes). Ce travail a pour but d'étudier le mécanisme moléculaire ainsi que le sentier de repliement tridimensionnel subit par ce ribozyme au cours de l'événement de coupure. Afin d'atteindre ce but, nous avons identifié toutes les interactions incluant les bases des ribonucléotides composant le coeur catalytique de ce ribozyme. Pour ce faire, nous avons utilisé l'approche de sélection in vitro (SELEX). Malgré son utilisation commune pour l'étude du ribozyme VHD, l'approche de SELEX n'a jamais donné de résultats concluants au sujet de la tectonique de ce ribozyme pendant l'événement de coupure. Ceci est dû au fait que dans toutes les analyses précédentes, le site catalytique du ribozyme n'a jamais été totalement dégénéré. Par conséquent, nous avons développé une stratégie de SELEX unique qui nous a permis de dégénérer la presque totalité du site catalytique et de sélectionner tous les ribozymes actifs existant dans la librairie combinatoire. Au contraire des stratégies de sélection basées sur l'utilisation du ribozyme en trans, la stratégie que nous avons développée est basée sur l'utilisation du ribozyme en cis. Cette stratégie nous a permis de dégénérer des nucléotides de la tige P1 connus pour être étroitement impliqués dans des interactions tertiaires avec des nucléotides du site catalytique. La preuve initiale du concept a été réalisée en dégénérant les six nucléotides formant la jonction entre la tige P4 et la tige P2 (J4/2). Les ribozymes sélectionnés après quatre cycles d'enrichissement possédaient une activité de coupure comparable à celle du ribozyme de type sauvage. Ce résultat montre que la stratégie développée est, non seulement fonctionnelle, mais aussi très efficace. La stratégie a ensuite été utilisée pour sélectionner des variants actifs du ribozyme à partir d'une librairie combinatoire contenant plus de 7.5x10[indice supérieur 15] mutants différents. Après 13 cycles de sélection, la population de ribozymes actifs commençait à être détectable. L'analyse des mutants sélectionnés a révélé une très faible variabilité entre les séquences. Ceci constituait une entrave pour l'étape suivante qui consiste à analyser la covariation des nucléotides dégénérés afin de définir le réseau des interactions tertiaires qui réunit ces nucléotides et qui est à l'origine de sa structure tridimensionnelle. La faible variabilit des séquences sélectionnées est due à la dominance des variants les plus actifs camouflant ainsi ceux qui étaient moins actifs. Face à cette situation, nous avons fait un réajustement de notre stratégie de sélection afin d'éviter cette dominance et de donner à tous les ribozymes actifs la même chance d'être amplifié. Nous avons recommencé la sélection en utilisant les nouveaux réajustements et le séquençage de plus de 500 clones a été réalisé, nous conduisant à 150 ribozymes de séquences différentes. Nous avons développé par la suite un programme informatique qui nous a permis d'analyser la covariation des nucléotides aux positions dégénérées. Les résultats de cette analyse de covariation sont en parfaite concordance avec la structure secondaire du ribozyme VHD antigénomique. En effet, toutes les paires de bases de type Watson-Crick, Wobble et homopurine ont été confirmées à l'exception de la paire de base C19-G81 au bas de la P2. L'analyse bioinformatique suggérait une faible covariation entre ces deux nucléotides et montre une forte interaction entre le C19 et le G80. Cette interaction a été prouvée par cartographie enzymatique et chimique. Bien que cette nouvelle interaction engendre un changement minime dans la structure secondaire du ribozyme VHD antigénomique, ce changement est très significatif. En effet, suite à cette interaction, la nouvelle structure secondaire du ribozyme antigénomique se rapprochait étonnamment de celle du ribozyme de version génomique, suggérant ainsi un lien phylogénique entre ces deux ribozymes. Le ribozyme VHD est naturellement actif dans les cellules humaines (les hépatocytes), mais son utilisation comme outil de thérapie génique fait toujours face à un problème majeur de spécificité. Afin de résoudre ce problème et de mieux contrôler ce ribozyme au niveau cellulaire, nous avons tenté de remodeler ce ribozyme pour le transformer en un ribozyme allostérique, toujours en utilisant la stratégie de sélection in vitro. Nous avons choisi comme cofacteur la protéine tat du VIH. Dans ce système où le cofacteur est une molécule de la cible, le ribozyme allostérique va avoir non seulement un gain de spécificité mais deviendra auto-inductible par sa cible, exactement à la manière d'un anticorps. En résumé, ce travail a permis de jeter un nouveau regard sur le site catalytique du ribozyme VHD tout en poussant la méthode de SELEX à un nouvel extrême.

Résumé non disponible

This dissertation focuses on the spectroscopic and thermodynamic characterization of the unusual metal-RNA cluster found in the P5abc subdomain of the Tetrahymena group I intron. The P5abc subdomain is a part of the P4-P6 domain found in the Tetrahymena thermophila group I intron selfsplicing RNA. From both X-ray crystal structures of the P4-P6 domain, a remarkable cluster of Mg2+ or Mn2+ ions was found in the P5abc subdomain (Cate et al. 1996; Juneau et al. 2001). It is believed that the metal ion core in the P5abc subdomain stabilizes the active conformation of the RNA (Cate et al. 1996). An understanding of the role of these metal ions in facilitating the correct structure of the P5abc subdomain provides insight into how metal ions help overcome the folding barriers of complex RNA structures. Under solution conditions, the properties of this uncommon metal ion core and its influence on the truncated P5abc subdomain structure have been investigated. Both EPR spectroscopy and thermal denaturation experiments have been employed to search for a spectroscopic signature of metal ion core formation and also determine the thermodynamic contribution of the metal ion core on the stability of the folded P5abc structure. A spectroscopic signature of metal ion core formation was assigned for the P5abc subdomain by EPR microwave power saturation studies. Power saturation studies of the P5abc subdomain, P4-P6 domain and corresponding mutants reveal that the addition of 5 equivalents of Mn2+ are required for the wild type P5abc subdomain to form the metal ion core under solution conditions in 0.1 M NaCl. Results from both domain and subdomain microwave power saturation studies suggest that this technique can be applied for detecting clustering of Mn2+ ions in other RNA structures. The thermodynamic consequence of this metal ion core was probed by thermal denaturation techniques including UV-Vis spectroscopy and differential scanning calorimetry (DSC). DSC experiments were utilized to directly determine the thermodynamic contribution of the metal ion core. This value was determined to be an average of ∆∆G of -5.3 kcal/mol and is consistent with ∆∆G values obtained for other RNA tertiary structures.

Στην παρούσα εργασία, εξετάσαμε λεπτομερώς την κινητική της ενεργοποίησης της δραστικότητας της RNase P του E. coli από τη σπιραμυκίνη. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η σπιραμυκίνη δρα σαν μικτού τύπου «μη απαραίτητος» ενεργοποιητής . Η κινητική συμπεριφορά του ενεργοποιητή που εξετάστηκε, μπορεί να εξηγηθεί μ’ ένα κινητικό σχήμα ανάλογο αυτού που περιγράφεται στο Segel (1993). Σε κορεσμένη συγκέντρωση σπιραμυκίνης η τιμή της φαινομενικής Vmax (Vmax,app) για το ανασχηματισμένο ολοένζυμο αυξάνεται κατά 2,5 φορές και τιμή της φαινομενικής K(Ks s,app) μειώνεται κατά 7,1 φορές. Ομοίως, σε κορεσμένη συγκέντρωση σπιραμυκίνης, η τιμή της φαινομενικής Vmax για το M1 RNA αυξάνεται κατά 2,4 φορές και η τιμή της φαινομενικής K μειώνεται κατά 5 φορές. / -

Group I introns are catalytic RNAs capable of self-splicing out of RNA transcripts. Ribozymes derived from these group I introns are used to explore the molecular recognition properties involved in intron catalysis. New ribozyme reactions are designed based on the inherent ability of these ribozymes to perform site-specific nucleophilic attacks. This study explores the molecular recognition properties of group I intron-derived ribozyme reactions and describe a new ribozyme reaction involving molecular recognition properties previously not seen.We report the development, analysis, and use of a new combinatorial approach to analyze the substrate sequence dependence of suicide inhibition, cyclization, and reverse cyclization reactions catalyzed by a group I intron from the opportunistic pathogen Pneumocystis carinii. We demonstrate that the sequence specificity of these Internal Guide Sequence (IGS) mediated reactions is not high, suggesting that RNA targeting strategies which exploit tertiary interactions could have low specificity due to the tolerance of mismatched base pairs.A group I intron-derived ribozyme from P. carinii has been previously shown to bind an exogenous RNA substrate, splice-out an internal segment, and then ligate the two ends back together (the trans excision-splicing reaction). We now report that a group I intron derived ribozyme from the ciliate Tetrahymena thermophila can also perform the trans excision-splicing reaction, although not nearly as well as the P. carinii ribozyme.In addition, we discovered a new ribozyme reaction called trans insertion-splicing where the P. carinii ribozyme binds two exogenous RNA substrates and inserts one directly into the other. Although this reaction gives the reverse products of the trans excision-splicing reaction, the trans insertion-splicing reaction is not simply the reverse reaction. The ribozyme recognizes two exogenous substrates through more complex molecular recognition interactions than what has been previously seen in group I intron-derived ribozyme reactions. We give evidence for this new reaction mechanism composed of three steps, with intermediates attached to the ribozyme.

xix, 111 p. : ill. (some col.) / Since discovery of its biological effects in the late 1960's, cisplatin (cis-diamminedichloroplatinum( II)) has become one of the most broadly-prescribed cancer drugs in use today. A majority of efforts to understand the metallobiochemistry of this drug have focused on describing the interactions of cisplatin-derived Pt(II) complexes with DNA. Drug binding to this "high value" cellular target is believed to trigger the apoptotic pathways that underlie cisplatin's cytotoxic effects. Although RNA is chemically similar to DNA and responsible for accurately transferring, regulating, and transforming the same genetic information that is stored within the DNA genome, surprisingly little is known about platinum(II) drug binding to RNA. Accordingly, the first three chapters of this dissertation describe efforts to address questions regarding cisplatin coordination to RNA on the molecular scale. Chapter I reviews fundamental aspects of how metal complexes interact with nucleic acids, highlighting the bioinorganic chemistry of platinum(II) antitumor drugs. This chapter also introduces the idea that drug binding to RNA may form an important part of how these complexes work in the cell. Chapter II describes cisplatin crosslinking between RNA nucleobases located on opposite sides of the internal loop of an RNA subdomain derived from the catalytic core of the spliceosome. Chapter III describes how platinum adducts disrupt the activity of RNA processing enzymes similar to those that are necessary for maturation, maintenance and recycling of the transcriptome. Chapter III also describes the reversal of RNA platination using thiourea. The chemistry of platinum(II) is also characterized by preferential coordination to sulfur ligands, or thiophilicity. Incorporating this property into RNA chemistry, Chapters IV and V describe the reaction of platinum(II) complexes with phosphorothioate-substituted RNAs. Chapter IV describes engineering platinum(II) crosslinks in the Hammerhead ribozyme through the targeting of a platinum(II) complex to a specific phosphorothioate substitution installed in the active site of this catalytic RNA. Chapter V outlines efforts to characterize the cleavage and isomerization reactions promoted by platinum(II) coordination to phosphorothioate-substituted RNAs. Finally, Chapter VI summarizes the insights gained throughout the course of our studies and provides an outlook on the future of platinum-RNA chemistry. This dissertation includes co-authored material and previously published results. / Committee in charge: Michael M. Haley, Chair; Victoria J. DeRose, Advisor; David R. Tyler; Andrew J. Berglund; Eric A. Johnson

<div> <div> <div> <p>The cosmos of noncoding RNAs (ncRNAs) has been thriving in recent years; so much so that researchers are discovering them much faster than they can uncover their functions. The subset of these RNAs that have been characterized have been noted to perform and regulate a plethora of remarkably diverse and essential biological functions. This diversity in function is accompanied by a large array of dynamic and elegantly folded 3-dimensional structures. In this collection of work, we will journey through the discovery of the first catalytic noncoding RNAs (ribozymes), explore a new method for identifying uniquely structured ribozymes, and detail the design of a technique to select for highly structured RNAs with a high affinity for an RNA binding partner. Although these topics vary widely within the field of RNA, this work strives to showcase the integral relationship between intricate macromolecular structures with their chemical and cellular functions. </p> </div> </div> </div>