Publications

2005

• A residue-pairwise generalized born scheme suitable for protein design calculations.
  
  • Archontis G.
  • Simonson T.
  Journal of Physical Chemistry B, American Chemical Society, 2005, 109 (47), pp.22667-73. We describe an efficient generalized Born (GB) approximation for proteins, in which the interaction energy between two amino acids depends on the whole protein structure, but can be accurately computed from residue-pairwise information. Two results make the scheme pairwise. First, an accurate expression exists for the interaction energy between two residues R and R' that depends on the product B = BRBR' of their residue Born solvation radii. Second, this expression is accurately fitted by a parabolic function of B; the (three) fitting coefficients depend only on the pair RR', not on its environment. In effect, the quantity B captures all the information that is relevant about the pair's dielectric environment. The method is tested with calculations on several hundred structures of the proteins trpcage, BPTI, ubiqutin, and thoredoxin. It yields solvation energies in better agreement with Poisson calculations than a traditional GB formulation. We also compute the effect of the protein/solvent environment on the interactions between pairs of charged residues in the active site of the enzyme aspartyl-tRNA synthetase. Our method captures this effect as accurately as traditional GB. Because it is residue-pairwise, the method can be incorporated into efficient protocols for rotamer placement and computational protein design. (10.1021/jp055282+)
  DOI : 10.1021/jp055282+
• Initiator tRNA binding by e/aIF5B, the eukaryotic/archaeal homologue of bacterial initiation factor IF2.
  
  • Guillon Laurent
  • Schmitt Emmanuelle
  • Blanquet Sylvain
  • Mechulam Yves
  Biochemistry, American Chemical Society, 2005, 44 (47), pp.15594-601. To carry initiator Met-tRNA(i)(Met) to the small ribosomal subunit, eukaryal and archaeal cells use a heterotrimeric factor called e/aIF2. These cells also possess a homologue of bacterial IF2 called e/aIF5B. Several results indicate that the mode of action of e/aIF5B resembles some function of bacterial IF2. The e/aIF5B factor promotes the joining of ribosomal subunits. Moreover, there is genetic evidence that the factor participates in the binding of initiator tRNA to the small ribosomal subunit. However, up to now, an interaction between e/aIF5B and initiator tRNA was not evidenced. In this study, we use an assay based on protection of aminoacyl-tRNA against spontaneous deacylation to demonstrate that archaeal aIF5B indeed can interact with initiator tRNA. In complex formation, aIF5B shows specificity toward the methionyl moiety of the ligand. The complex between Saccharomyces cerevisiae eIF5B and methionylated initiator tRNA is less stable than that formed with aIF5B. In addition, this complex is almost indifferent to the side chain of the esterified amino acid. These results support the idea that, beyond the channeling of Met-tRNA(i)(Met) to the 40S subunit by e/aIF2, e/aIF5B comes to interact with initiator tRNA on the ribosome. Recognition of an aminoacylated tRNA species at this site would then allow translation to begin. In the case of archaea, this checkpoint would also include the verification of the presence of a methionine at the P site. (10.1021/bi051514j)
  DOI : 10.1021/bi051514j
• Contributions à l'étude de la détoxication de la levure par les transporteurs ABC: 1 - étude biochimique de Yor1p; 2 - rôle des thiols dans la toxicité du sélénium.
  
  • Grigoras Ioana
  , 2005. Les transporteurs ABC forment une vaste famille de protéines présentes dans tous les organismes vivants. Ces protéines utilisent l'énergie fournie par l'hydrolyse de l'ATP pour transporter à travers les membranes biologiques des substances très variées. Plusieurs protéines ABC sont importantes pour la santé humaine. Par exemple, le défaut fonctionnel de la protéine CFTR cause la mucoviscidose et la surproduction de protéine MRP1 est associée aux phénomènes de résistance aux traitements anti-tumoraux. La levure Saccharomyces cerevisiae possède une famille de protéines (Yor1p, Ycf1p, Bpt1p, Ybt1p, Vmr1p, Nft1p) apparentées à CFTR et MRP1. Cette famille peut servir de modèle à l'étude des protéines humaines. La première partie de ce travail de thèse a été consacrée à l'étude biochimique de la protéine de levure Yor1p. Nous avons fusionné YOR1 avec un fragment d'ADN codant un peptide de poly-histidine et avons placé cette construction sous contrôle d'un promoteur permettant une surproduction dans la levure. Nous avons alors montré que la protéine Yor1p poly-histidylée était produite sous forme fonctionnelle dans la levure, puis avons mis au point une méthode permettant de solubiliser puis de purifier cette protéine en une seule étape par chromatographie d'affinité sur une colonne greffée avec des ions métalliques. La deuxième partie de ce travail a consisté à produire sous forme isolée chez la bactérie Escherichia coli et à purifier à homogénéité les deux domaines de Yor1p impliqués dans la liaison et l'hydrolyse de l'ATP. Nous avons étudié la fixation de l'ATP sur ces deux domaines, ce qui nous a permis de conclure que ces domaines étaient bien structurés. Ils peuvent maintenant être utilisés pour des études structurales. Enfin, nous nous sommes intéressés au rôle la protéine Ycf1p dans la détoxication du sélénite. Nous avons observé que la toxicité du sélénite pour la levure était considérablement accrue par la présence de composés thiolés dans le milieu de culture. La formation de dérivés réactifs de l'oxygène est vraisemblablement à l'origine de cette hypertoxicité.
• Rôle du facteur d'initiation e/aIF2 dans le démarrage de la traduction chez les Eucaryotes et chez les archées.
  
  • Yatime Laure
  , 2005. Le facteur hétérotrimérique e/aIF2 joue un rôle central dans le démarrage de la traduction chez les Eucaryotes et chez les Archées. Il conduit l'ARNt initiateur méthionylé jusqu'au ribosome et assure la spécificité de sélection du codon de démarrage sur l'ARNm. La structure cristallographique d'aIF2de l'archée Pyrococcus abyssi, précédemment résolue au laboratoire, a révélé une très forte homologie entre aIF2γ, qui constitue le coeur de l'hétérotrimère, et le facteur d'élongation bactérien EF1A. Cependant, possède des caractéristiques structurales propres qui pourraient être responsables de sa spécificité d'action dans le démarrage de la traduction. Une étape cruciale de ce travail a consisté à développer un test de suivi in vitro de l'association d'aIF2 au Met-ARNti Met. Ce test a permis d'évaluer l'importance des caractéristiques du Met-ARNti Met et la contribution de chacune des sous-unités de l'hétérotrimère dans la formation du complexe aIF2:Met-ARNti Met. Ainsi, il a été montré que le résidu méthionine constitue un déterminant majeur dans la reconnaissance du Met-ARNti Met par aIF2. D'autre part, il apparaît que la sous-unité seule est effectivement capable de lier l'ARNt selon un mode similaire à celui observé pour EF1A mais avec une affinité considérablement réduite par rapport à celle de l'hétérotrimère. Nous avons montré que la présence de la sous-unité αétait nécessaire pour retrouver une affinité optimale vis-à-vis de l'ARNt tandis que la sous-unité βne semble pas jouer de rôle dans cette liaison. L'utilisation d'une stratégie de découpage d'en domaines séparés a montré que c'est le domaine 3 d'aIF2qui lie la sous-unité par l'intermédiaire d'une boucle du domaine 2 de . De plus, le dimère D3semble nécessaire et suffisant pour retrouver une affinité pour l'ARNt comparable à celle du facteur natif. Dans un second temps, des cristaux de la sous-unité entière et d'une forme tronquée correspondant aux domaines 2 et 3 ont été obtenus. Les structures d'D2-3 et d'complet ont été résolues à respectivement 2.26 et 3.37 Å de résolution. L'analyse du modèle structural a révélé une mobilité du domaine 3 d'αpar rapport au bloc rigide formé par les domaines 1 et 2. La comparaison de séquences d'e/aIF2a montré que les zones de conservation d'se situaient principalement dans le domaine 1 et dans le domaine 3 de la protéine, qui possèdent tous les deux des propriétés générales de liaison des ARNs. Le domaine 1 d'αpourrait ainsi interagir avec un autre partenaire de type ARN du démarrage de la traduction, tel que l'ARNm ou l'ARN ribosomal. Finalement, des cristaux d'aIF2de Sulfolobus solfataricus ont été obtenus et la structure de l'hétérodimère a été résolue à 3.0 Å. Cette structure a confirmé les données biochimiques précédemment obtenues : le domaine 3 de la sous-unité interagit avec le domaine 2 de , au niveau de la boucle L1 précédemment caractérisée. L'analyse de cette structure a révélé pour la première fois une conformation des régions Switch de similaire à celle observée au sein du complexe EF1A:GDPNP:ARNt, ce qui permet d'expliquer la GTPdépendance de la fixation du Met-ARNti Met par aIF2. La comparaison de cette structure à celle d'EF1A suggère que seule γpourrait être en contact avec l'ARNt au sein de l'hétérodimère αγ. Le renforcement de l'affinité pour l'ARNt observé en présence d'αnous a conduit à envisager un rôle possible d'αdans l'établissement des conformations observées pour les régions Switch dans la structure d'aIF2γ.
• Structural Basis for tRNA-Dependent Amidotransferase Function
  
  • Schmitt Emmanuelle
  • Panvert Michel
  • Blanquet Sylvain
  • Mechulam Yves
  Structure, Elsevier (Cell Press), 2005, 13 (10), pp.1421-33. Besides direct charging of tRNAs by aminoacyl-tRNA synthetases, indirect routes also ensure attachment of some amino acids onto tRNA. Such routes may explain how new amino acids entered into protein synthesis. In archaea and in most bacteria, tRNA(Gln) is first misaminoacylated by glutamyl-tRNA synthetase. Glu-tRNA(Gln) is then matured into Gln-tRNA(Gln) by a tRNA-dependent amidotransferase. We report the structure of a tRNA-dependent amidotransferase-that of GatDE from Pyrococcus abyssi. The 3.0 A resolution crystal structure shows a tetramer with two GatD molecules as the core and two GatE molecules at the periphery. The fold of GatE cannot be related to that of any tRNA binding enzyme. The ammonium donor site on GatD and the tRNA site on GatE are markedly distant. Comparison of GatD and L-asparaginase structures shows how the motion of a beta hairpin region containing a crucial catalytic threonine may control the overall reaction cycle of GatDE. (10.1016/j.str.2005.06.016)
  DOI : 10.1016/j.str.2005.06.016
• Structure-function relationships of the intact aIF2alpha subunit from the archaeon Pyrococcus abyssi.
  
  • Yatime Laure
  • Schmitt Emmanuelle
  • Blanquet Sylvain
  • Mechulam Yves
  Biochemistry, American Chemical Society, 2005, 44 (24), pp.8749-56. Eukaryotic and archaeal initiation factor 2 (e- and aIF2, respectively) are heterotrimeric proteins (alphabetagamma) supplying the small subunit of the ribosome with methionylated initiator tRNA. The gamma subunit forms the core of the heterotrimer. It resembles elongation factor EF1-A and ensures interaction with Met-tRNA(i)(Met). In the presence of the alpha subunit, which is composed of three domains, the gamma subunit expresses full tRNA binding capacity. This study reports the crystallographic structure of the intact aIF2alpha subunit from the archaeon Pyrococcus abyssi and that of a derived C-terminal fragment containing domains 2 and 3. The obtained structures are compared with those of N-terminal domains 1 and 2 of yeast and human eIF2alpha and with the recently determined NMR structure of human eIF2alpha. We show that the three-domain organization in the alpha subunit is conserved in archaea and eukarya. Domains 1 and 2 form a rigid body linked to a mobile third domain. Sequence comparisons establish that the most conserved regions in the aIF2alpha polypeptide lie at opposite sides of the protein, within domain 1 and domain 3, respectively. These two domains are known to exhibit RNA binding capacities. We propose that domain 3, which is known to glue the alpha subunit onto the gamma subunit, participates in Met-tRNA(i)(Met) binding while domain 1 recognizes either rRNA or mRNA on the ribosome. Thereby, the observed structural mobility within the e- and aIF2alpha molecules would be an integral part of the biological function of this subunit in the heterotrimeric e- and aIF2alphabetagamma factors. (10.1021/bi050373i)
  DOI : 10.1021/bi050373i
• Proton binding to proteins: a free-energy component analysis using a dielectric continuum model.
  
  • Archontis G.
  • Simonson Thomas
  Biophysical Journal, Biophysical Society, 2005, 88 (6), pp.3888-904. Proton binding plays a critical role in protein structure and function. We report pK(a) calculations for three aspartates in two proteins, using a linear response approach, as well as a "standard" Poisson-Boltzmann approach. Averaging over conformations from the two endpoints of the proton-binding reaction, the protein's atomic degrees of freedom are explicitly modeled. Treating macroscopically the protein's electronic polarizability and the solvent, a meaningful model is obtained, without adjustable parameters. It reproduces qualitatively the electrostatic potentials, proton-binding free energies, Marcus reorganization free energies, and pK(a) shifts from explicit solvent molecular dynamics simulations, and the pK(a) shifts from experiment. For thioredoxin Asp-26, which has a large pK(a) upshift, we correctly capture the balance between unfavorable carboxylate desolvation and favorable interactions with a nearby lysine; similarly for RNase A Asp-14, which has a large pK(a) downshift. For the unshifted thioredoxin Asp-20, desolvation by the protein cavity is overestimated by 2.9 pK(a) units; several effects could explain this. "Standard" Poisson-Boltzmann methods sidestep this problem by using a large, ad hoc protein dielectric; but protein charge-charge interactions are then incorrectly downscaled, giving an unbalanced description of the reaction and a large error for the shifted pK(a) values of Asp-26 and Asp-14. (10.1529/biophysj.104.055996)
  DOI : 10.1529/biophysj.104.055996
• Class II Lysyl-tRNA Synthetases
  
  • Blanquet Sylvain
  • Plateau Pierre
  • Onesti S.
  , 2005, pp.227-240.
• Methionyl-tRNA Synthetases
  
  • Blanquet Sylvain
  • Crepin Thibaut
  • Mechulam Yves
  • Schmitt Emmanuelle
  , 2005, pp.Chapter 6.
• Crystal structure at 1.8 A resolution and identification of active site residues of Sulfolobus solfataricus peptidyl-tRNA hydrolase.
  
  • Fromant Michel
  • Schmitt Emmanuelle
  • Mechulam Yves
  • Lazennec Christine
  • Plateau Pierre
  • Blanquet Sylvain
  Biochemistry, American Chemical Society, 2005, 44 (11), pp.4294-301. The 3-D structure of the peptidyl-tRNA hydrolase from the archaea Sulfolobus solfataricus has been solved at 1.8 A resolution. Homologues of this enzyme are found in archaea and eucarya. Bacteria display a different type of peptidyl-tRNA hydrolase that is also encountered in eucarya. In solution, the S. solfataricus hydrolase behaves as a dimer. In agreement, the crystalline structure of this enzyme indicates the formation of a dimer. Each protomer is made of a mixed five-stranded beta-sheet surrounded by two groups of two alpha-helices. The dimer interface is mainly formed by van der Waals interactions between hydrophobic residues belonging to the two N-terminal alpha1 helices contributed by two protomers. Site-directed mutagenesis experiments were designed for probing the basis of specificity of the archaeal hydrolase. Among the strictly conserved residues within the archaeal/eucaryal peptidyl-tRNA hydrolase family, three residues, K18, D86, and T90, appear of utmost importance for activity. They are located in the N-part of alpha1 and in the beta3-beta4 loop. K18 and D86, which form a salt bridge, might play a role in the catalysis thanks to their acid and basic functions, whereas the OH group of T90 could act as a nucleophile. These observations clearly distinguish the active site of the archaeal/eucaryal hydrolases from that of the bacterial/eucaryal ones, where a histidine is believed to serve as the catalytic base. (10.1021/bi047711k)
  DOI : 10.1021/bi047711k
• Computational protein design is a challenge for implicit solvation models.
  
  • Jaramillo A.
  • Wodak S.J.
  Biophysical Journal, Biophysical Society, 2005, 88 (1), pp.156-71. Increasingly complex schemes for representing solvent effects in an implicit fashion are being used in computational analyses of biological macromolecules. These schemes speed up the calculations by orders of magnitude and are assumed to compromise little on essential features of the solvation phenomenon. In this work we examine this assumption. Five implicit solvation models, a surface area-based empirical model, two models that approximate the generalized Born treatment and a finite difference Poisson-Boltzmann method are challenged in situations differing from those where these models were calibrated. These situations are encountered in automatic protein design procedures, whose job is to select sequences, which stabilize a given protein 3D structure, from a large number of alternatives. To this end we evaluate the energetic cost of burying amino acids in thousands of environments with different solvent exposures belonging, respectively, to decoys built with random sequences and to native protein crystal structures. In addition we perform actual sequence design calculations. Except for the crudest surface area-based procedure, all the tested models tend to favor the burial of polar amino acids in the protein interior over nonpolar ones, a behavior that leads to poor performance in protein design calculations. We show, on the other hand, that three of the examined models are nonetheless capable of discriminating between the native fold and many nonnative alternatives, a test commonly used to validate force fields. It is concluded that protein design is a particularly challenging test for implicit solvation models because it requires accurate estimates of the solvation contribution of individual residues. This contrasts with native recognition, which depends less on solvation and more on other nonbonded contributions. (10.1529/biophysj.104.042044)
  DOI : 10.1529/biophysj.104.042044
• Le " problème du repliement " : Peut-on prédire la structure des protéines ? The "folding problem": can one predict the structure of proteins?
  
  • Simonson T.
  Médecine/Sciences, EDP Sciences, 2005, 21 (6-7), pp.609-12. La structure tridimensionnelle d'une protéine est codée par sa séquence d'acides aminés. Le " problème du repliement " consiste à prédire la première à partir de la seconde. Ce problème fondamental de biologie moléculaire voit aujourd'hui plusieurs débuts de solution. La puissance brute des ordinateurs actuels, avec la mobilisation de milliers d'internautes volontaires, a permis de littéralement replier de petites protéines in silico, c'est-à-dire par simulations. De plus, les programmes internationaux de génomique structurale ont pour but la détermination expérimentale des structures de centaines de protéines dans plusieurs organismes, et la modélisation par homologie des autres. Ils aboutiront à une cartographie complète des structures de protéines dans la nature, qui éclairera à la fois l'évolution passée des protéines, leurs fonctions actuelles et les possibilités nouvelles de cibles thérapeutiques. A protein's three-dimensional structure is encoded in its amino acid sequence. The "folding problem" consists in predicting one based on the other. This classic problem of molecular biology has seen important steps forward in recent years. The raw power of today's computers, along with the mobilization of thousands of internauts, have allowed several small proteins to be literally folded up in a computer, through simulations. Moreover, international programs for structural genomics aim to determine the experimental structures of hundreds of proteins in several organisms, and to model the others by homology to known structures. This will lead to a nearly-complete map of the protein structure universe, shedding light on the past evolution and current functions of today's proteins, and suggesting new targets for therapeutic strategies. (10.1051/medsci/2005216-7609)
  DOI : 10.1051/medsci/2005216-7609