Cloning, Amplified Expression and Bioinformatics Analysis of a Putative Nucleobase Cation Symporter-1 (NCS-1) Protein From Rhodococcus erythropolis

The Rhodococcus erythropolis gene DYC18_RS18060 (1437 bp) putatively codes for a secondary transporter of the Nucleobase Cation Symporter-1 (NCS-1) protein family (478 amino acids). The DYC18_RS18060 gene was successfully cloned from R. erythropolis genomic DNA with addition of EcoRI and PstI restriction sites at the 5′ and 3′ ends, respectively, using PCR technology. The amplified gene was introduced into IPTG-inducible plasmid pTTQ18 immediately upstream of the sequence coding for a His6-tag. The construct was transformed into Escherichia coli BL21(DE3), then amplified expression of the DYC18_RS18060-His6 protein was achieved with detection by SDS-PAGE and western blotting. Computational methods predicted that DYC18_RS18060 has a molecular weight of 51.1 kDa and isoelectric point of 6.58. The protein was predicted to be hydrophobic in nature (aliphatic index 113.24, grand average of hydropathicity 0.728) and to form twelve transmembrane spanning α-helices with both N- and C-terminal ends at the cytoplasmic side of the membrane. Whilst database sequence similarity searches and phylogenetic analysis suggested that the substrate of DYC18_RS18060 could be cytosine, this was not certain based on comparisons of residues involved in substrate binding in experimentally characterised NCS-1 proteins. This study has laid foundations for further structural and functional studies of DYC18_RS18060 and other NCS-1 proteins. Copyright(c) The Authors

Mechanisms of subcellular membrane trafficking

Οι μεταφορείς, είναι διαμεμβρανικές πρωτεΐνες μέσω των οποίων πραγματοποιείται η διακίνηση θρεπτικών συστατικών, μορίων σηματοδοτών ή άλλων ουσιών εντός και εκτός του κυττάρου. Αυτό τις καθιστά απαραίτητα μόρια για την επικοινωνία του κυττάρου με το περιβάλλον. Τα τελευταία χρόνια, γενετικά, βιοχημικά και βιοφυσικά δεδομένα που προέρχονται από τη μελέτη αρκετών μεταφορέων, συνέβαλλαν στην κατανόηση των σχέσεων δομής λειτουργίας και των μηχανισμών αναγνώρισης και μεταφοράς υποστρώματος. Παρά τις εξελικτικές, δομικές και λειτουργικές διαφορές τους, όλοι οι μεταφορείς χρησιμοποιούν έναν κοινό μηχανισμό εναλλασσόμενης πρόσβασης, όπου μια θέση πρόσδεσης υποστρώματος εναλάσσεται μεταξύ πολλαπλών διαμορφώσεων προκειμένου να μεταφέρει ένα υπόστρωμα από τη μία πλευρά της μεμβράνης στην άλλη. Αυτός ο βασικός μηχανισμός που διεξάγεται από δυναμικές κινήσεις του κύριου διαμεμβρανικού σώματος και υποβοηθείται από την ευελιξία υδρόφιλων βρόχων, συναντάται σε διάφορες παραλλαγές, γνωστές ως rocker-switch, rocking-bundle και μηχανισμός elevator. Μία από τις μεγαλύτερες οικογένειες δευτερογενών μεταφορέων είναι η υπεροικογένεια amino acid/polyamine/organocation (APC), η οποία περιλαμβάνει μεταφορείς που λειτουργόυν ως συμμεταφορείς διαλυτής ουσίας κατιόντος και αντιμεταφορείς διαλυτών ουσιών με μεγάλη ποικιλία υποστρωμάτων. Η οικογένεια Nucleobase Cation Symporter 1 (NCS1) αποτελεί μία από τις πιο καλά μελετημένες υποοικογένειες της APC υπεροικογένειας, και εκπρόσωποί της συναντώνται σε προκαρυωτικούς οργανισμούς, μύκητες και μερικά φυτά. Αυτό οφείλεται στην πληθώρα γενετικών και βιοχημικών δεδομένων που αφορούν μέλη της οικογένειας σε μύκητες, καθώς και σε εκτεταμένες δομικές και βιοφυσικές μελέτες ενός βακτηριακού ομολόγου, του συμμεταφορέα υδαντοΐνης/Na+, Mhp1. Η οικογένεια NCS1 δεν έχει αντιπροσώπους στα θηλαστικά, κάτι που την καθιστά ιδανική για τη στόχευση ειδικών φαρμάκων κατά των μικροβιακών παθογόνων. Οι μεταφορείς της οικογένειας NCS1 αποτελούνται από 12 διαμεμβρανικά τμήματα (ΔΤ) με δομή α έλικας, που συνδέονται με σχετικά μικρές ενδιάμεσες αλληλουχίες και έχουν κυτταροπλασματικά αμινο και καρβοξυτελικά άκρα. Τα ΔΤ1 10 οργανώνονται σε μια δομή ανεστραμμένης επανάληψης ανά 5 (5-helix intertwined inverted repeat; 5HIRT) που ονομάζεται αλλιώς και LeuT-fold, και συναντάται σε μεταφορείς πολλών διαφορετικών οικογενειών που εμπλέκονται στη μεταφορά νευροδιαβιβαστών, σακχάρων, αμινοξέων ή φαρμάκων. Τα δύο τελευταία διαμεμβρανικά τμήματα (11 και 12) μερικών μεταφορέων που έχουν παρόμοια δομή με τον LeuT, φαίνεται να εμπλέκονται στον ολιγομερισμό, παρά στο μηχανισμό λειτουργίας τους αυτό καθαυτό. Παρόλα αυτά, δεν υπάρχουν επαρκή δεδομένα για το δομικό ή/και λειτουργικό τους ρόλο. Μεταφορείς που ανήκουν στην οικογένεια NCS1 στους μύκητες, είναι από τους πιο καλά μελετημένους σε γενετικό, βιοχημικό και κυτταρικό επίπεδο. Δομικά μοντέλα μυκητιακών μεταφορέων NCS1 βασίζονται σε πολλές διακριτές κρυσταλλικές δομές του βακτηριακού ομολόγου Mhp1 και υποστηρίζονται από γενετικές μελέτες που προκαθόρισαν τη θέση δέσμευσης του υποστρώματος και τα πιθανά στοιχεία που δρουν σαν πύλες, καθορίζοντας την εξειδίκευση. Πιο συγκεκριμένα, ένα σημαντικό εύρημα που προέρχεται από έρευνα του εργαστηρίου μας πάνω στους μυκητιακούς μεταφορείς της NCS1 οικογένειας (τόσο σε μέλη της Fcy όσο και της Fur υποοικογένειας) είναι ότι η εξειδίκευση δεν καθορίζεται μόνο από κατάλοιπα που βρίσκονται στο σημείο πρόσδεσης του υποστρώματος (ΔΤ1, ΔΤ3, ΔΤ6 ή ΔΤ8) αλλά και από δυναμικές κινήσεις του τμήματος ΔΤ9 ΔΤ10 που δρα σαν εξωκυτταρική πύλη.Σε αυτή τη διατριβή, παρέχουμε πειραματικά και in silico δεδομένα που αποδεικνύουν ότι η ενδοκύτωση, η λειτουργία και περιέργως η εξειδίκευση του FurE, ενός μεταφορέα του Aspergillus nidulans που ανήκει στην NCS1 οικογένεια και μεταφέρει ουρακίλη-αλλαντοΐνη και ουρικό οξύ, εξαρτάται από δυναμικές αλληλεπιδράσεις των άμινο και καρβοξυτελικών άκρων μεταξύ τους και με το βασικό σώμα του μεταφορέα. Πιο συγκεκριμένα, τα καρβοξυτελικά άκρα εμπλέκονται σε ενδομοριακές δυναμικές αλληλεπιδράσεις που είναι απαραίτητες για την εκλεπτυσμένη ρύθμιση των πυλών που ελέγχουν την επιλογή των υποστρωμάτων. Πραγματοποιώντας Μοριακές Δυναμικές (ΜΔ) και αναλύσεις μεταλλαγών στο γονίδιο του μεταφορέα, υποθέσαμε ότι αυτό συμβαίνει μέσω αλληλεπιδράσεων των κυτταροπλασματικών ουρών με ενδοκυττάριες θηλιές, οι οποίες με τη σειρά τους επηρεάζουν τη διαδικασία διαλογής υποστρωμάτων μέσω των πυλών στην εξωκυττάρια πλευρά της πλασματικής μεμβράνης. Επιπρόσθετα, τα αποτελέσματά μας έδειξαν ότι αυτές οι αλληλεπιδράσεις εξαρτώνται άμεσα από το pH. Στη συνέχεια, αξιοποιώντας τις πληροφορίες από εκτεταμένες αναλύσεις ΜΔ, πραγματοποιήσαμε συστηματική και στοχευμένη λειτουργική ανάλυση μεταλλαγών στο μόριο του μεταφορέα FurΕ, προκειμένου να χαρακτηρίσουμε το μονοπάτι μετατόπισης του υποστρώματος κατά τη διάρκεια της μετάβασής του από τις διακριτές διαμορφώσεις του. Επιπροσθέτως, παρέχουμε πειραματικά στοιχεία που δείχνουν πως η ταυτότητα των αμινοξέων που απαρτίζουν τα δύο τελευταία ΔΤ του FurE, δεν καθορίζει την κατάλυση της μεταφοράς. Ωστόσο, ένα συντηρημένο κατάλοιπο τυροσίνης είναι απολύτως απαραίτητο για τη σωστή στόχευση του μεταφορέα στην πλασματική μεμβράνη. Στο τελευταίο μέρος αυτής της δουλειάς, συνδυάζουμε βιοφυσικές τεχνικές και υπολογιστικές μεθόδους για να καταλάβουμε σε βάθος το μηχανισμό που διέπει το λειτουργικό ρόλο των κυτταροπλασματικών άκρων στη διαλογή και μεταφορά του υποστρώματος, κάτι που φαίνεται να αντικατοπτρίζει ένα γενικότερο μηχανισμό που χαρακτηρίζει τους μεταφορείς της APC υπεροικογένειας. Το σύνολο της διατριβής αυτής, υποστηρίζει την ευρύτερη ιδέα ότι το μέγεθος των άκρων των ευκαρυωτικών μεταφορέων αυξήθηκε κατά τη διάρκεια της εξέλιξης, προσδίδοντας περισσότερους διακριτούς τρόπους ρύθμισης της λειτουργίας τους.

Deletion of the Uracil Permease Gene Confers Cross-Resistance to 5-Fluorouracil and Azoles in Candida lusitaniae and Highlights Antagonistic Interaction between Fluorinated Nucleotides and Fluconazole

ABSTRACTWe characterized two additional membrane transporters (Fur4p and Dal4p) of the nucleobase cation symporter 1 (NCS1) family involved in the uptake transport of pyrimidines and related molecules in the opportunistic pathogenic yeastCandida lusitaniae. Simple and multiple null mutants were constructed by gene deletion and genetic crosses. The function of each transporter was characterized by supplementation experiments, and the kinetic parameters of the uptake transport of uracil were measured using radiolabeled substrate. Fur4p specifically transports uracil and 5-fluorouracil. Dal4p is very close to Fur4p and transports allantoin (glyoxyldiureide). Deletion of theFUR4gene confers resistance to 5-fluorouracil as well as cross-resistance to triazoles and imidazole antifungals when they are used simultaneously with 5-fluorouracil. However, the nucleobase transporters are not involved in azole uptake. Only fluorinated pyrimidines, not pyrimidines themselves, are able to promote cross-resistance to azoles by both the salvage and thede novopathway of pyrimidine synthesis. A reinterpretation of the data previously obtained led us to show that subinhibitory doses of 5-fluorocytosine, 5-fluorouracil, and 5-fluorouridine also were able to trigger resistance to fluconazole in susceptible wild-type strains ofC. lusitaniaeand of differentCandidaspecies. Our results suggest that intracellular fluorinated nucleotides play a key role in azole resistance, either by preventing azoles from targeting the lanosterol 14-alpha-demethylase or its catalytic site or by acting as a molecular switch for the triggering of efflux transport.