The current work reports on structural studies of ribonucleoprotein complexes, Escherichia coli and Thermomyces lanuginosus ribosomes, and Pariacoto virus (PaV) using molecular modeling. Molecular modeling is the integration and representation of the structural data of molecules as models. Integrating high-resolution crystal structures available for the E. coli ribosome and the cryo-EM density maps for the PRE- and POST- accommodation states of the translational cycle, I generated two all-atom models for the ribosome in two functional states of the cycle. A program for flexible fitting of the crystal structures into low-resolution maps, YUP.scx, was used to generate the models. Based on these models, we hypothesize that the kinking of the tRNA plays a major role in cognate tRNA selection during accommodation. Secondly, we proposed all-atom models for the eukaryotic ribosomal RNA. This is part of a collaboration between Joachim Frank, Andrej Sali, and our lab to generate an all-atom model for the eukaryotic ribosome based on a cryo-EM density map of T. lanuginosus available at 8.9Å resolution. Homology modeling and ab initio RNA modeling were used to generate the rRNA components. Finally, we propose a first-order model for a T=3, icosahedral, RNA virus called Pariacoto virus. We used the structure available from x-ray crystallography as the starting model and modeled all the unresolved RNA and protein residues. Only 35% of the total RNA genome and 88% of the protein were resolved in the crystal structure. The generated models for the virus helped us determine the location of the missing N-terminal protein tails. The models were used to propose a new viral assembly pathway for small RNA viruses. We propose that the basic N-terminal tails make contact with the RNA genome and neutralize the negative charges in RNA and subsequently collapse the RNA/protein complex into a mature virus. This process is reminiscent of DNA condensation by positively charged ions.

Thesis (Ph. D.)--University of Washington, 2006. / Vita. Includes bibliographical references (leaves 159-176).

This thesis describes work done with the thyroid hormone receptor (TR), a nuclear protein which binds to specific DNA sequences and regulates transcription in response to thyroid hormone levels. The studies can be divided into two broad categories: structure/function studies of the TR protein, particularly with regards to DNA binding function; and, structure/function studies of the DNA sequences to which the thyroid hormone receptor binds in order to regulate gene transcription. In order to examine the DNA binding properties of the TR an electrophoretic mobility shift assay (EMSA) was utilized. Conditions of this assay were optimized for the use of in vitro translated TR. Mutant forms of the β-isoform of thyroid hormone receptor were generated using a PCR-based mutagenesis protocol. Each mutant substituted a different residue of the 12 amino acid-long α-recognition helix with alanine. The mutants were analyzed for their abilities to bind to thyroid hormone response elements (TREs), and to activate transcription in transfected eukaryotic cells. The DNA binding results were consistent with a conserved α-helix structure, with conserved function for many residues, that is similar to that of the related receptors for glucocorticoids and estrogen. Only the first of the three non-conserved residues lying in the P-box (EGG), a portion of the recognition α-helix that facilitate differential binding of distinct DNA sequences, disrupted binding when substituted with alanine. The third position of the P-box, when substituted with alanine exhibits an altered ability to bind to certain natural TREs. The mutant form of TR with alanine substituted for the second P-box position displayed only a modest decrease in DNA binding affinity compared to wild-type TR (roughly 3-fold), yet was completely deficient in trans-activation. The structure-function studies of TR binding sites on DNA applied a methylation interference protocol to examine the interactions of TR with direct repeats (DR) of the idealized hexameric sequence, spaced by three to five base-pairs. The interactions of both the TR/TR homodimer and the TR/RXR (9-cis-retinoic acid receptor) heterodimer with the DRs were examined. The methylation interference patterns for the TR/TR homodimer bound to the DR sequences are virtually identical for spacers of four and five base-pairs, but with three base-pairs, there is some evidence that at least one DNA binding domain is misaligned with the DNA to accomodate the unfavourable spacer length. The TR/RXR heterodimer methylation interference pattern is distinct on all three DRs, probably due to the fact that in the heterodimer cooperative intermolecular contacts are made between the DNA binding domains of the two receptors, but only when the spacer distance is four base-pairs. When a poorly conserved everted repeat (EvR) that overlaps the idealized DR is present. the homodimer, but not the heterodimer, binds this cryptic EvR in competition with the DR. The binding modality of the TR homodimer and TR/RXR heterodimer to DRs was reevalutated using point mutants and EMSA. The TR homodimer and TR/RXR heterodimer both bind to idealized direct repeats with DBDs aligned appropriately for a direct repeat; however, evidence is presented that there are certain poorly conserved sequences that are intermediate between DRs and EvRs that are differentially recognized by the TR homodimer and the TR/RXR heterodimer. That is, the homodimer binds with the DBDs aligned appropriately for a EvR, and the heterodimer DBDs are aligned appropriately for a DR. / Graduate

Spinal Muscular Atrophy (SMA) is a neurodegenerative, inherited disease caused by an insufficient amount of functional Survival of Motor Neurone protein (SMN), though the exact mechanism underlying this is not fully understood. The primary function of SMN is assembling a ring of Sm proteins around small nuclear RNA (snRNA) in an early, cytoplasmic stage of small nuclear ribonucleoprotein (snRNP) biogenesis, a process essential in eukaryotes. SMN, together with several mRNA binding proteins, has been linked to neural transport of mRNA towards areas of growth in Motor neurons for local translation of transcripts. Previous research in our group has found that this may involve Coatomer protein-containing vesicles transported by Dynein and requiring the Sm family protein, SmB, for maintenance. Little is known, however, about what other proteins are also present and required for correct transport and localisation of these vesicles. To further investigate this, we have produced plasmids expressing each Sm protein tagged to fluorescent proteins to help track their behaviour, in some cases for the first time, and developed a detergent-free fractionation protocol to enrich for SMN containing vesicles, providing tools that can be used to further probe behaviour and interactions in the future. Using these approaches, SmN, a neural specific Sm protein, was identified to also be present in SMN-containing vesicles similarly to SmB. Analysis of the interactomes of different Sm proteins identified a novel interactor of SMN, Neurochondrin (NCDN), that appears to be required for the correct localisation of SMN in neural cells. NCDN was found to not associate with snRNPs, indicating an snRNP-independent interaction with SMN. NCDN and SMN both independently associated and co-enriched with Rab5, indicating a potential endocytic and cell polarity role for the interaction. This interaction has the potential to be key in SMA pathology and may have therapeutic potential.

Les ribosomes sont des macrocomplexes ribonucléoprotéiques sophistiqués, essentiels pour décoder l’information génétique et la traduire en protéines fonctionnelles. Chez les organismes eucaryotes, le ribosome est constitué de deux sous-unités, la petite (40S) et la grande (60S). Leur biogenèse est un processus fondamental, très complexe, qui mène à la synthèse et l’assemblage de 4 ARNr et 80 protéines ribosomiques (79 chez la levure). La biogenèse du ribosome a longtemps été étudiée chez Saccharomyces cerevisiae. Près de 20 ans de recherches ont été nécessaires à la communauté scientifique pour identifier les quelques 200 facteurs de synthèse du ribosome levurien. Alors que le schéma global de cette voie de biosynthèse semble conservé chez les organismes eucaryotes, de nombreux éléments suggèrent qu’elle serait plus élaborée chez l’homme et nécessiterait un plus grand nombre de facteurs que chez la levure. De plus, la caractérisation de nombreuses ribosomopathies, ou maladies du ribosome prédisposant aux cancers, a suscité un intérêt accru pour l’étude de la voie de biosynthèse du ribosome dans le paradigme expérimental le plus approprié, la cellule humaine.<p><p>Au cours de ma thèse de doctorat, j’ai contribué à un projet systématique d’identification de facteurs d’assemblage (FA) du ribosome chez l’homme. Pratiquement, nous avons identifié 286 FA humains, dont beaucoup sont homologues aux facteurs levuriens connus, et 74 sont sans équivalent chez la levure. Par ailleurs, j’ai caractérisé en détail certains facteurs. En particulier, Trm112 pour lequel j’ai montré qu’il agit comme un stabilisateur de la méthyltransférase (MTase) Bud23, spécifique à l’ARNr 18S de la sous-unité levurienne 40S. J’ai également participé à la caractérisation de mutations à l’interface du complexe Bud23-Trm112. Enfin, j’ai contribué à l’étude de trois FA que nous avons identifiés chez l’homme, DIMT1L et WBSCR22-TRMT112. J’ai montré que ces protéines sont les orthologues des MTases levuriennes Dim1 et Bud23-Trm112, qu’elles sont requises pour la synthèse et la modification de l’ARNr mature de la petite sous-unité ribosomique, et qu’elles seraient impliquées dans un mécanisme conservé contrôlant la qualité de la voie de biosynthèse du ribosome.<p><p>La totalité des FA que nous avons identifiés en cellule humaine sont à la disposition de la communauté scientifique dans une base de données en ligne accessible sur la page www.RibosomeSynthesis.com. Nous espérons que cette ressource contribuera à une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires sous-jacents au développement des ribosomopathies et à l’élaboration d’agents thérapeutiques efficaces.<p> / Doctorat en sciences, Spécialisation biologie moléculaire / info:eu-repo/semantics/nonPublished

La synthèse du ribosome est un processus compliqué, très hiérarchisé et essentiel à toutes les cellules vivantes. La complexité de ce processus tient notamment au fait que les différentes étapes de la biogenèse du ribosome eucaryote sont temporellement et spatialement organisées dans des compartiments cellulaires différents (le nucléole, le nucléoplasme et le cytoplasme). Il est toutefois connu que le pré-ARNr 35S (le précurseur de trois des quatre ARNr, les ARNr 18S, 5.8S et 25S) est pris en charge dès sa synthèse par des facteurs impliqués dans sa maturation. Ainsi, la formation d’un ribosome requiert l’association, sur le transcrit naissant, des facteurs de synthèse, au nombre de 400. Ces facteurs essentiels interagissent transitoirement avec l’ARNr et ne font pas partie des particules ribosomiques matures impliquées dans la traduction. Leur rôle est d’assister le remodelage constant du pré-ribosome et le processus d’assemblage des sous-unités.<p>Parmi ces facteurs de synthèse, nous avons caractérisé en détail, chez la levure et chez l’homme, la protéine Las1 impliquée dans la maturation des deux extrémités de l’ITS2, séquence qui sépare les ARNr 5.8S et 25S/28S. Chez la levure, en absence de la protéine Las1, les analyses de profils de polysomes révèlent un déficit de sous-unité 60S et l’apparition d’« halfmères ». Les techniques de purification d’affinité et de gradient de sédimentation nous indiquent que Las1 est associée aux pré-ribosomes 60S et qu’elle interagit avec de nombreux facteurs de synthèse de la petite, de la grande sous-unité ou des deux. De plus, Las1 copurifie avec des pré-ribosomes qui contiennent aussi les exoribonucléases 5’-3’ Rat1/Rai1 et Xrn1. Rai1 coordonne la maturation aux deux extrémités de l’ARNr 5.8S. Nous suggérons que Las1 appartient à un macrocomplexe connectant spatialement des sites de clivages éloignés sur la séquence primaire du pré-ARNr qui seraient rapprochés suite au reploiement de l’ITS2.<p>Un autre aspect de ce travail de thèse consiste en l’étude de l’assemblage des particules ribonucléoprotéiques et plus spécifiquement du pré-ribosome et des sous-unités ribosomiques eucaryotes. Nous avons utilisé la technique d’immunoprécipitation de chromatine (Ch-IP) pour caractériser l’assemblage d’une structure appelée le « SSU processome ». Celui-ci correspond à un pré-ribosome en formation ainsi que l’assemblage des protéines ribosomiques sur l’ARNr naissant.<p>Enfin, nous avons étudié le rôle d’une plateforme d’activation de méthyltransférases d’ARN et de protéines, la protéine Trm112 dans la ribogenèse. Nous avons montré que chez la levure, Trm112 est impliquée dans la synthèse du ribosome et dans la progression de la mitose. En absence de cette protéine, les pré-ARNr sont dégradés par un mécanisme de surveillance. Trm112 copurifie avec plusieurs facteurs de synthèse du ribosome dont la méthyltransférase Bud23, impliquée dans la modification post-transcriptionnelle de l’ARNr18S. Trm112 est requise pour cette méthylation et nous postulons que la protéine Bud23 est incapable de se lier aux pré-ribosomes en l’absence de Trm112.<p> / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished