Une étude récente sur le transfert peptidique pH dépendant effectuée avec divers ARNt aminoacyles a révélé la dépendance au pH du transfert peptidique. L’instabilité hydrolytique rend impossible l’obtention de la valeur expérimentale du pKa de l’eau donné pour le groupement α-amino des esters 3'-aminoacyladenosine. Comme les analogues de la puromycine sont les analogues les plus proches du 3’-terminal des ARNt aminoacyles et qu’ils contiennent une liaison amide stable en position 3’, il est intéressant de déterminer la valeur du pKa du groupement α-amino de différents analogues de la puromycine mais aussi de corréler ces valeurs de pKa aux valeurs de pKa des groupements ARNt aminoacyles correspondants obtenues par le transfert peptidique pH dépendant. Le premier chapitre de la thèse se concentre sur la synthèse de différents analogues de la puromycine et sur la détermination de leur basicité par une analyse RMN pH dépendante. Ce chapitre discutera aussi la conformation intrinsèque des analogues de la puromycine mesurée par la pH dépendance de leur constante de couplage J1’-2’. Les synthèses d’analogues dinucléotidiques, d’un analogue xylo-puromycine et d’un analogue de désoxyxylopuromycine seront aussi décrites. Les conjugués peptidyl-ARN miment des fragments importants d’intermédiaires de la transduction. Ces analogues peuvent être utilisés comme outils expérimentaux pour comprendre l’évolution de la synthèse codée des peptides. L’innovation dans le concept de ‘négoce moleculaire’ entre les peptides, les oligonucléotides et les bicouches lipidiques, qui pourrait être à la base de l’évolution de la synthèse peptidique contrôlée par l’ARN, nous a poussé à synthétiser des conjugués peptidyl-ARN amphiphiliques et à étudier leurs interactions avec les bicouches lipidiques. Dans le deuxième chapitre les stratégies de synthèse sur support solide utilisant des analogues de puromycine comme élément constitutif seront discutées / A recent pH dependent peptidyl transfer assay in the ribosome with various aminoacyl tRNAs revealed the pH dependence of the peptidyl transfer. Hydrolytic instability makes impossible to obtain the experimental bulk water pKa data for the α-amino groups of 3'-aminoacyladenosine esters. Since puromycin analogues are the most similar analogues of the 3’-end of the aminoacyl tRNAs and they contain a stable amide bond in 3’-position, the determination of the pKa value of the α-amino groups of different puromycin analogues and correlation of these pKa values with those of α-amino groups of the corresponding aminoacyl tRNAs obtained by pH dependent peptidyl transfer deserves attention. Chapter 1 of the thesis focuses on the synthesis of different puromycin analogues and on the determination of their basicities by a pH dependent NMR analysis. This chapter also analyses the intrinsic conformations accessed by the puromycin analogues, as measured by the pH dependence of their J1’-2’ coupling constants. The synthesis of dinucleotide analogues, a xylo-puromycin analogue and a deoxyxylopuromycin analogue will also be described. Peptidyl-RNA conjugates mimic important fragments of natural intermediates of translation. These analogues can be used as an experimental tool to understand the evolution of the coded synthesis of peptides. The novelty in the concept of a ‘molecular deal’ between peptides, oligonucleotides and lipidic bilayers, which may be the basis for the evolution of RNA controlled peptide synthesis, prompted us to synthesize amphiphilic peptidyl-RNA conjugates and to study their interactions with lipidic bilayers. In chapter 2 the solid support synthetic strategies using puromycin analogues as the building blocks will be discussed

Η ΒΥΠ διαθέτει αντίτυπο της διατριβής σε έντυπη μορφή στο βιβλιοστάσιο διδακτορικών διατριβών που βρίσκεται στο ισόγειο του κτιρίου της. / Στα βακτήρια, η μεγάλη ριβοσωματική υπομονάδα αποτελείται από δύο είδη RNA, το 23S και το 5S rRNA, καθώς και 33 πρωτεΐνες. Ο σχηματισμός του πεπτιδικού δεσμού και η απελευθέρωση της πεπτιδικής αλυσίδας επιτελούνται στη μεγάλη υπομονάδα, όπου εδράζεται το καταλυτικό κέντρο της πεπτιδυλοτρανσφεράσης (PTase). Εκτός αυτού, η μεγάλη υπομονάδα περιλαμβάνει το κέντρο προσδέσεως των μεταφραστικών παραγόντων, το οποίο πυροδοτεί τη GTPase δραστηριότητα των G-πρωτεϊνικών παραγόντων, που εμπλέκονται στη μετατόπιση των υποστρωμάτων και άλλες ριβοσωματικές λειτουργίες. Έχει υποτεθεί ότι το 5S rRNA παίζει ουσιώδη ρόλο στη συγκρότηση του κέντρου της PTase και στη μετάδοση σημάτων μεταξύ του καταλυτικού κέντρου και των ριβοσωματικών συστατικών που διεκπεραιώνουν τη μετατόπιση των υποστρωμάτων. Το ιοντικό περιβάλλον φαίνεται να επηρεάζει καθοριστικά τη διαμόρφωση του 5S rRNA. Για παράδειγμα, έχει βρεθεί ότι οι πολυαμίνες δεσμεύονται εκλεκτικά στο 5S rRNA και επηρεάζουν τη δραστικότητα του έναντι του διμεθυλο-θεϊκού, ενός αντιδραστηρίου-ιχνηθέτη της τριτοταγούς δομής του RNA. Αρχικά ελέγξαμε αν υπάρχουν εξειδικευμένες θέσεις πρόσδεσης των πολυαμινών στο 5S rRNA. Στη συνέχεια, με σκοπό να ελέγξουμε αν η πρόσδεση των πολυαμινών επηρεάζει τη λειτουργία του 5S rRNA, 70S ριβοσώματα προγραμματισμένα με πολύ-ουριδυλικό σχηματίσθηκαν από 50S υπομονάδες, ολικά ή εκλεκτικά φωτοσημασμένες με ένα φωτοδραστικό ανάλογο της σπερμίνης και από 30S ακατέργαστες υπομονάδες. Αυτά τα ριβοσώματα είχαν την ικανότητα να δεσμεύουν AcPhe-tRNA ελαφρώς ισχυρότερα, σε σύγκριση με ριβοσώματα συγκροτημένα από φυσικά συστατικά, μη περιέχοντα πολυαμίνες. Το γεγονός αυτό υποδηλώνει ότι η πρόσδεση πολυαμινών στο 5S rRNA επηρεάζει, σε μικρό βαθμό, τη λειτουργία του παράγοντα επιμήκυνσης EF-Tu. Συζευγμένα, όμως, τα εν λόγω ριβοσώματα με tRNAPhe στην Ε-θέση και AcPhe-tRNAστην Ρ-θέση, επέδειξαν ισχυρότερη καταλυτική δραστικότητα και αυξημένη ικανότητα για μετατόπιση των υποστρωμάτων. Τα αποτελέσματα αυτά εισηγούνται σημαντική εμπλοκή των πολυαμινών στο λειτουργικό ρόλο του 5S rRNA κατά την κατάλυση και μετατόπιση των υποστρωμάτων. / In bacteria, the large ribosomal subunit comprises two RNA species, 23S and 5S rRNA, and 33 proteins. Peptide bond formation and peptide release are catalyzed by the large subunit, where the peptidyltransferase (PTase) center is located. In addition to this center, which triggers the GTPase activities of G-protein factors involved in translocation and other ribosomal functions. It has been hypothesized that 5S rRNA plays essential role in assembling the PTase center and mediating signal transmissions between this center and the translocation machinery. Furthermore, the ionic environment seems to affect the conformation of 5S rRNA. For instance, polyamines have been found to bind specifically to 5S rRNA and influence the 5S rRNA reactivity towards dimethyl-sulfate (DMS), a chemical probe of RNA tertiary structure. Initially we examined whether there are specific sites for binding of polyamines. To test whether the binding of polyamines influence the function of 5S rRNA poly(U)-programmed 70S ribosomes were reconstituted from 50S subunits, totally or specifically photolabelled in their 5S rRNA with a photoreactive analogue of spermine, and native 30S subunits. These ribosomes were found to enzymatically bind AcPhe-tRNA better than ribosomes reconstituted from native components. This means, that furnishing 5S rRNA with spermine slightly influences the elongation factor EF-Tu function. However, equipped with tRNAPhe at the A-site and AcPhe-tRNA at the P-site, these ribosomes exhibited higher catalytic activity and enhanced tRNA translocation efficiency. These results suggest an essential impact of polyamines on the functional role of 5S rRNA in catalysis and translocation of translation substrates.

Στην παρούσα εργασία συνθέσαμε ένα άμινο-άκυλο- και ένα πεπτίδυλο- ανάλογο της χλωραμφαινικόλης. Τα ανάλογα αυτά ήταν η β-αλανίνη-χλωραμφαινικόλη (β-alaCAM) και η φαινυλαλανίνη-φαινυλαλανίνη-χλωραμφαινικόλη (PhePheCAM). Στην συνέχεια μελετήσαμε την βιολογική συμπεριφορά των αναλόγων αυτών μέσα από την μελέτη της κινητικής της αναστολής του σχηματισμού πεπτιδικού δεσμού που επιφέρουν τα εν λόγω ανάλογα. Σε πρωτεϊνοσυνθετικό σύστημα ριβοσωμάτων εκπορευόμενων από Escherichia coli η σύνθεση ακέτυλο-φαινυλαλάνυλο-πουρομυκίνης πραγματοποιείται μέσω μιας αντίδρασης ψευδοπρώτης τάξεως μεταξύ συμπλέγματος C, δηλαδή ακέτυλο-φαινυλαλάνυλο-poly(U)-ριβοσωμάτων, και περίσσειας πουρομυκίνης. Τόσο η β-alaCAM, όσο και η PhePheCAM μελετήθηκαν ως αναστολείς της αντίδρασης σύνθεσης ακέτυλο-φαινυλαλάνυλο-πουρομυκίνης και τα αποτελέσματα της κινητικής της αναστολής που επέφεραν συγκρίθηκαν με γνωστά από την βιβλιογραφία αντίστοιχα αποτελέσματα που αφορούν τόσο την μητρική ένωση, όσο και άλλα άμινο-άκυλο- και πεπτιδικά ανάλογα αυτής. Αρχικά παρατηρήσαμε ότι, απουσία αναστολέα, η αντίδραση ακολουθεί κινητική πρώτης τάξεως καθόλη την χρονική διάρκεια της χημικής αντίδρασης. Ωστόσο, στη συνέχεια παρατηρήσαμε ότι η παρουσία τόσο της β-alaCAM, όσο και της PhePheCAM είχε σαν αποτέλεσμα διφασικές λογαριθμικές συναρτήσεις συγκέντρωσης – χρόνου, όπου υφίστατο μία αρχική ή πρώτη χρονική φάση και μία τελική ή δεύτερη χρονική φάση της χημικής αντίδρασης πουρομυκίνης. Ακολούθησε λεπτομερής κινητική ανάλυση, αρχικά μέσω διαγραμμάτων διπλού αντιστρόφου για τις αρχικές και τις τελικές κλίσεις των λογαριθμικών χρονοκαμπυλών, καθώς και στη συνέχεια μέσω επαναδιαγραμμάτων αρχικών και τελικών κλίσεων έναντι της συγκέντρωσης του αναστολέα. Με τον τρόπο αυτό υπολογίστηκαν οι κινητικές σταθερές αναστολής Κi οι οποίες και συγκρίθηκαν με την κινητική σταθερά αναστολής της μητρικής ένωσης. Τέλος, μέσω υπολογιστικού προγράμματος προσομοίωσης, σχεδιάστηκαν οι συναρτήσεις της φαινομενικής σταθεράς εξισορρόπησης keq έναντι της συγκέντρωσης του αναστολέα και υπολογίστηκαν οι σταθερές k6 και k7. Tόσο η β-alaCAM όσο και η PhePheCAM εμφάνισαν συμπεριφορά βραδέως προσδενομένου συναγωνιστικού αναστολέα ανεξάρτητα από την συγκέντρωσή τους, σε αντίθεση με την μητρική ένωση η οποία εμφανίζει συμπεριφορά συναγωνιστικού αναστολέα σε μικρές συγκεντρώσεις αυτής και συμπεριφορά μικτού μη-συναγωνιστικού αναστολέα σε μεγαλύτερες συγκεντρώσεις αυτής. H β-alaCAM ευρέθηκε 4,6 φορές περισσότερο βιολογικά δραστική από την PhePheCAM και 14,3 βιολογικά ασθενέστερη από την μητρική ένωση. Σε αντίθεση με τη μητρική ένωση, η οποία δεν υφίσταται ισομερισμό, τόσο η β-alaCAM όσο και η PhePheCAM δίνουν, στην τελική ή δεύτερη χρονική φάση της αντίδρασης πουρομυκίνης, γένεση στο ισομερισμένο σύμπλοκο C*I. Αξιοσημείωτη είναι η παρατήρηση ότι ο σχηματισμός του ισομερισμένου συμπλόκου C*I λαμβάνει χώρα μέσω δύο κινητικών βημάτων στην περίπτωση της β-alaCAM, αλλά μέσω ενός μόνο κινητικού βήματος στην περίπτωση της PhePheCAM. Προτείνουμε, ως μοντέλο επεξηγηματικό του μηχανισμού βιολογικής δράσης και χημικής κινητικής των μελετηθέντων συνθετικών αναλόγων, ότι τόσο η β-alaCAM όσο και η PhePheCAM παρουσιάζουν αυξημένη στερεοχημική ομοιότητα με το 3΄-άκρο του άμινο-άκυλο-tRNA ή με το 3΄-άκρο του πεπτίδυλο-tRNA συγκριτικά με τη μητρική ένωση. Η αυξημένη αυτή στερεοχημική ομοιότητα πιθανότατα εξηγεί τον εκσεσημασμένο συναγωνιστικό χαρακτήρα της αναστολής που εμφανίζουν τα μελετηθέντα ανάλογα συγκριτικά με τη μητρική ένωση, ασχέτως του γεγονότος ότι η συνολική αναστολή που επιφέρουν δεν αποδεικνύεται σε καμία περίπτωση ισχυρότερη της αναστολής που επιφέρει η μητρική ένωση. Για τον λόγο αυτό τα εν λόγω συνθετικά ανάλογα της χλωραμφαινικόλης θα πρέπει να θεωρηθούν παλίνδρομα-ανάστροφα ανάλογα (retro-inverso analogs). / One aminoacyl and one peptidyl analog of chloramphenicol (Cl2CHCO-CAM) were prepared. These are L-β-alaCAM and L-PhePheCAM. The kinetics of inhibition of peptide bond formation by these analogs were examined in a cell-free system which had been used previously for the study of Cl2CHCO-CAM [Drainas et al, Eur. J. Biochem. 1987, 164, 53-58]. In a model cell-free system, derived from Escherichia coli, acetylphenylalanyl-puromycin is produced in a pseudo-first-order reaction between the preformed acetylphenylalanyl/tRNA/poly(U)/ribosome complex (complex C) and excess puromycin. Both L-β-alaCAM and L-PhePheCAM were tested as inhibitors in this reaction. In the absence of inhibitor, the reaction follows first-order kinetics for the entire course of the reaction. In the presence of the analog the reaction gives biphasic log-time plots. The kinetic informations pertaining to the initial and the terminal slopes of the plot are analyzed (initial-slope and terminal-slope analysis). Μοreover, through a computer simulation non-linear regression fitting program, the plots between the keq values and the concentration of the inhibitor [I] were constructed, and consequently the values of k6 and k7 were estimated. Detailed kinetic analysis suggests that both these analogs (I) behave as slow-binding inhibitors and react competitively with complex C to form the complex C*I which is inactive towards puromycin. In the presence of L-β-alaCAM, C*I is formed via a two-step mechanism in which C*I is the product of a slow conformational change of the initial encounter complex CI according to the equation C + I CI C*I. Our results, concerning the two-step mechanism of L-β-alaCAM are in agreement with the results of previous investigations evaluating the potency and kinetic mechanisms of other aminoacyl and peptidyl analogs of chloramphenicol [Michelinaki et al, Mol. Pharmacol. 1997, 51, 139-146]. However, in the presence of L-PhePheCAM, our results are unique because we found evidences that C*I is formed via a one-step mechanism as a product of a slow conformational change according to the equation C + I C*I. The parent compound gives complex inhibition kinetics; increasing the concentration of the parent compound changes the inhibition from competitive to mixed noncompetitive [Drainas et al, Eur. J. Biochem. 1987, 164, 53-58]. In contrast, the analogs give competitive kinetics even at high concentrations of the inhibitor. The following Ki and Ki* values have been determined: Ki = 45 μΜ for L-β-alaCAM, Ki* = 10 μΜ for L-β-alaCAM and Ki* = 46 μM for L-PhePheCAM. If we were to assume that both L-β-alaCAM and L-PhePheCAM behave as classical competitive inhibitors, we could say that L-β-alaCAM is 4.6 times more potent than L-PhePheCAM. On this assumption we could also compare chloramphenicol with L-β-alaCAM and see that L-β-alaCAM is 14.3 times weaker than chloramphenicol (Ki = 0.7 μΜ). It is suggested that as compared with chloramphenicol, both L-β-alaCAM and L-PhePheCAM have increased structural similarity to the 3΄-terminus of aminoacyl-tRNA or of peptidyl-tRNA and this similarity results in a more pronounced competitive inhibition. The results are compared with previous data and discussed on the basis of a possible retro-inverso relationship between chloramphenicol analogs and puromycin.

In bacteria, protein synthesis can occur tightly coupled to transcription. In eukaryotes, it is believed that translation occurs solely in the cytoplasm; I test whether some occurs in nuclei and find: (1) L-azidohomoalanine (Aha) – a methionine analogue (detected by microscopy after attaching a fluorescent tag using ‘click’ chemistry) – is incorporated within 5 s into nuclei in a process sensitive to the translation inhibitor, anisomycin. (2) Puromycin – another inhibitor that end-labels nascent peptides (detected by immuno-fluorescence) – is similarly incorporated in a manner sensitive to a transcriptional inhibitor. (3) CD2 – a non-nuclear protein – is found in nuclei close to the nascent RNA that encodes it (detected by combining indirect immuno-labelling with RNA fluorescence in situ hybridization using intronic probes); faulty (nascent) RNA is destroyed by a quality-control mechanism sensitive to translational inhibitors. I conclude that substantial translation occurs in the nucleus, with some being closely coupled to transcription and the associated proof-reading. Moreover, most peptides made in both the nucleus and cytoplasm are degraded soon after they are made with half-lives of about one minute. I also collaborated on two additional projects: the purification of mega-complexes (transcription ‘factories’) containing RNA polymerases I, II, or III (I used immuno-fluorescence to confirm that each contained the expected constituents), and the demonstration that some ‘factories’ specialize in transcribing genes responding to tumour necrosis factor α – a cytokine that signals through NFκB (I used RNA fluorescence in situ hybridization coupled with immuno-labelling to show active NFκB is found in factories transcribing responsive genes).