Investigating Models of Protein Function and Allostery With a Widespread Mutational Analysis of a Light-Activated Protein

To investigate the relationship between a protein’s sequence and its biophysical properties, we studied the effects of more than 100 mutations in Avena sativa light-oxygen-voltage domain 2, a model protein of the Per-Arnt-Sim family. The A. sativa light–oxygen–voltage domain 2 undergoes a photocycle with a conformational change involving the unfolding of the terminal helices. Whereas selection studies typically search for winners in a large population and fail to characterize many sites, we characterized the biophysical consequences of mutations throughout the protein using NMR, circular dichroism, and ultraviolet/visible spectroscopy. Despite our intention to introduce highly disruptive substitutions, most had modest or no effect on function, and many could even be considered to be more photoactive. Substitutions at evolutionarily conserved sites can have minimal effect, whereas those at nonconserved positions can have large effects, contrary to the view that the effects of mutations, especially at conserved positions, are predictable. Using predictive models, we found that the effects of mutations on biophysical function and allostery reflect a complex mixture of multiple characteristics including location, character, electrostatics, and chemistry.     

Über die Beziehungen zwischen Muskelfasern und Bindegewebsfibrillen

Zusammenfassung Es handelt sich um die Frage, wie sich die Muskelfasern mit Bindegewebe — einerseits mit dem interstitiellen Bindegewebe (Endomysium) des Muskels, andererseits mit jenem, an welches sich der Muskel befestigt — verbinden. Unter anderem um die Frage, ob sich die Kraft der sich kontrahierenden Muskelfasern an das Bindegewebe der zweiten Art direkt oder durch Vermittlung des Interstitiums überträgt.Das einfachste Objekt, an dem man diese Frage zu lösen versuchen kann, stellen die lateralen Rumpfmuskeln von Branchiostoma, von Cyklostomen und von Ichthyopsiden. Beim Lösen der Frage berührt man das wichtige Thema vom Ursprung des Bindegewebes — seiner Desmofibrillen — überhaupt.Bei Branchiostoma fehlt in den Myomeren der lateralen Rumpfmuskeln das Bindegewebe, und die einheitlichen, d. i. syncytial gebauten Myomeren sind hier als Ganzes von Sarkolemm begrenzt; ihre kontraktile Substanz hat in den Desmofibrillen der Myosepten Fortsetzung (Studnika, 1920).Bei Petromyzon bestehen die Rumpfmuskeln aus großen, ziegelförmigen Muskelkästchen, die zuerst durch einheitliche (innere) Sarkolemme, nach ihrer Spaltung durch ein spärliches interstitielles Bindegewebe voneinander getrennt sind. Später zerfallen die Muskelkästchen in breite Zonen und dann in Muskelfasern verschiedener Dicke; zuletzt dringt zwischen die oberflächlichsten davon, die parietalen Muskelfasern, das Bindegewebe in dünnen Schichten hinein (Maurer 1891). Das ist jetzt das Endomysium des Muskels, während dasjenige Bindegewebe, welches die Muskelkästchen bisher voneinander trennte, zum Perimysium internum wird. Die zentralen Muskelfasern der Kästchen sind von Bindegewebe nicht umgeben; sie verbinden sich bloß an ihren Enden (wo sie miteinander verschmelzen) mit den Myosepten. Da im Inneren der Kästchen das Bindegewebe überhaupt fehlt und da das innere Perimysium aus reichlich gewundenen, zum großen Teil quer zu der Richtung der Muskelkästchen verlaufenden Fasergebilden besteht, ist es klar, daß es nicht die in den bekannten Theorien der Muskelkraftübertragung (vgl. S. 36, 37) ihnen zugeschriebene Rolle übernehmen kann.Bei Myxine und bei allen Gnathostomen bestehen die Rumpfmuskeln aus typischen, drehrunden Muskelfasern. Einzelne davon sind voneinander durch ein bindegewebiges Endomysium, ihre Gruppen durch ein Perimysium internum getrennt. Das Endomysium besteht einerseits aus festen exoplasmatischen fibrillenführenden, im fertigen Zustande de norma mit sehr spärlichen Zellen besetzten Lamellen, andererseits aus einem ebenfalls Desmofibrillen und sehr spärliche Zellkerne bzw. Zellen führenden interstitiellen Gerüst. Wieder überzeugt man sich davon, daß die stark, stellenweise sogar wie mäanderförmig gewundenen und dazu größtenteils quer zu der Richtung der Muskelfasern angeordneten Desmofibrillen der Lamellen und des Gerüstes, die von einigen ihnen zugeschriebene Aufgabe nicht besorgen können. — Dieses Verhalten fand ich bei allen von mir untersuchten Ichthyopsiden (in einzelnen Fällen, so z. B. bei Esox, waren die interstitiellen Lamellen einfach). Die an ihnen sich befindenden Geflechte waren irgendwo (Esox) sehr dicht und wohl auch fest, anderswo (so bei den Amphibienlarven) äußerst locker gebaut und weich. Bei Selachierembryonen (Torpedo, Spinax) konnte ich mich davon überzeugen, daß alle diese interstitiellen Strukturen auf der Grundlage des Mesostroma-Mesenchyms, also eines Zellbrückennetzes, entstehen. An der Bildung des Mesostromas beteiligen sich offenbar auch die jungen Muskelfasern, doch am fertigen Gewebe läßt sich ein Zusammenhang des Gerüstes mit dem Sarkolemm nicht nachweisen.Sowohl die Muskelfasern (an ihren Enden) wie auch die interstitiellen Lamellen sind mit den Myosepten fest verbunden; die Lamellen bilden zusammen mit ihnen ein interstitielles Muskelgerüst, in dessen Lücken die Muskelfasern sonst ziemlich frei liegen. Man sieht dieses Gerüst in jenen Fällen sehr deutlich, in denen sich die Muskelfasern bei der Fixierung der Objekte stark kontrahierten und sich von dem Myoseptum abgerissen haben, so daß das Muskelgerüst stellenweise leer geworden ist. Das quergestreifte Muskelgewebe ist auf diese Weise ein Beispiel eines nicht aus Zellen gebauten Gewebes mit (im fertigen Zustande) relativ sehr spärlichen Zellen.Die Muskelfasern verbinden sich mit den Myosepten auf verschiedene Weise. In den jungen Entwicklungsstadien der Kranioten gibt es in der Gegend, wo sich später die Myosepten befinden, zuerst bloß Lücken, die von Cytodesmen, von Mesostroma und zuletzt von bindegewebigen Längsfasern überbrückt werden. Die Längsfasern sind Desmofibrillenbündel, welche sich von den Enden der Muskelfasern der einen zu denen der folgenden Myomere ziehen und beide fest miteinander verbinden. In älteren Entwicklungsstadien gibt es in den Lücken auch Bindegewebsfasern, die in anderer Richtung verlaufen, und zuletzt überwiegen hier die Querfasern; solche Bindegewebsfasern nämlich, welche in der Richtung der Lücke verlaufen. Auf diese Weise entsteht an der Stelle der intermyomeralen Lücke im fertigen Körper schließlich ein festes bindegewebiges Myoseptum. Es gibt Myosepten mit verschiedener Anordnung der Desmofibrillen und ihrer Bündel.Da man sich auf das interstitielle Bindegewebe nicht berufen kann, ist es klar, daß sich die Zugwirkung der sich kontrahierenden Muskelfasern durch ihre Enden, welche sich an die Myosepten festsetzen, an diese letzteren überträgt.Wo es in den intermyomeralen Lücken, dann in den Myosepten, die obenerwähnten Längsfasern gibt — und solche fand ich anfangs bei allen von mir untersuchten Formen — stellen diese Fasern gewissermaßen die Fortsetzung der Myofibrillen vor. Entweder sind die Enden der Muskelfasern nackt, und die Myofibrillen gehen unmittelbar in die Desmofibrillen und ihre Bündel über, oder sind die Enden der Muskelfasern durch das Sarkolemm begrenzt, und die Fasergebilde treten dann durch das Sarkolemm hindurch; in noch anderen Fällen muß man annehmen, daß sich auf die eine Seite des Sarkolemms die Myo-, auf die andere (äußere) Seite die Desmofibrillen festsetzen. Das exoplasmatische Sarkolemm stellt dabei keine tote Scheidewand zwischen den beiden Arten der Fibrillen vor. Die Desmofibrillen sind oft zu Bündeln verbunden, und ihre Anzahl ist dann geringer als jene der Myofibrillen.Bei Amphibienlarven entfernen sich gegen das Ende der Schwanzflosse zu die Myomeren voneinander, und aus jenem Materiale, welches in den vorderen Teilen des Körpers die Myosepten baut, entstehen da förmliche Sehnen; in Anbetracht des Umstandes, daß es sich (beim Ende der Flosse) um Fibrillenbündel handelt, welche die einzelnen Muskelfasern miteinander verbinden, sind es eigentlich Mikrosehnen. In diesen Fällen sieht man den Übergang der Desmofibrillen in Myofibrillen besonders deutlich, und man kann ihn — bei Pelobates-Larven — sogar auch an im frischen Zustande untersuchten (zerdrückten) Objekten untersuchen.Dort, wo man den direkten Zusammenhang der Fasergebilde nicht beobachten kann, sieht man an der Stelle des Septums, wo die sich kontrahierenden Muskelfasern von ihm weggerissen haben, manchmal Reste der zerrissenen Desmofibrillen, zum Zeichen, daß hier die Myofibrillen wirklich mit den Desmofibrillen im Zusammenhange standen. In sehr zahlreichen Fällen beobachtet man bei älteren Tieren jedenfalls auch dies nicht; man bekommt dann den Eindruck, als ob die Enden der Muskelfasern mit dem Myoseptum bloß verklebt wären. Es gelang bisher nicht, die zwischen den anders verlaufenden Fibrillen sich befindenden und zur Befestigung der Muskelfasern dienenden Desmofibrillen in allen Fällen zu finden.     

Multimeric bivalent immunogens from recombinant tetanus toxin H<Subscript>C</Subscript> fragment,synthetic hexasaccharides,and a glycopeptide adjuvant

Using recombinant tetanus toxin H_C fragment (rTT-H_C) as carrier, we prepared multimeric bivalent immunogens featuring the synthetic hexasaccharide fragment of O-PS of Vibrio cholerae O:1, serotype Ogawa, in combination with either the synthetic hexasaccharide fragment of O-PS of Vibrio cholerae O:1, serotype Inaba, or a synthetic disaccharide tetrapeptide peptidoglycan fragment as adjuvant. The conjugation reaction was effected by squaric acid chemistry and monitored in virtually real time by SELDI-TOF MS. In this way, we could prepare well-defined immunogens with predictable carbohydrate–carrier ratio, whose molecular mass and the amount of each saccharide attached could be independently determined. The ability to prepare such neoglycoconjugates opens unprecedented possibilities for preparation of conjugate vaccines for bacterial diseases from synthetic carbohydrates.     

Regulation of thyroid hormone metabolism in rat liver fractions

The nature of the conversion of thyroxine (T₄) to triiodothyronine (T₃) and reverse triiodothyronine (rT₃) was investigated in rat liver homogenate and microsomes. A 6-fold rise of T₃ and 2.5-fold rise of rT₃ levels determined by specific radioimmunoassays was observed over 6 h after the addition of T₄. An enzymic process is suggested that converts T₄ to T₃ and rT₃. For T₃ the optimal pH is 6 and for rT₃, 9.5. The converting activity for both T₃ and rT₃ is temperature dependent and can be suppressed by heat, H₂O₂, merthiolate and by 5-propyl-2-thiouracil. rT₃ and to a lesser degree iodide, were able to inhibit the production of T₃ in a dose related fashion. Therefore the pH dependendy, rT₃ and iodide may regulate the availability of T₃ or rT₃ depending on the metabolic requirements of thyroid hormones.     

Novel Roles for Kv7 Channels in Shaping Histamine-Induced Contractions and Bradykinin-Dependent Relaxations in Pig Coronary Arteries

Voltage-gated K_v7 channels are inhibited by agonists of G_q-protein-coupled receptors, such as histamine. Recent works have provided evidence that inhibition of vascular K_v7 channels may trigger vessel contractions. In this study, we investigated how K_v7 activity modulates the histamine-induced contractions in “healthy” and metabolic syndrome (MetS) pig right coronary arteries (CAs). We performed isometric tension and immunohistochemical studies with domestic, lean Ossabaw, and MetS Ossabaw pig CAs. We found that neither the K_v7.2/K_v7.4/K_v7.5 activator ML213 nor the general K_v7 inhibitor XE991 altered the tension of CA rings under preload, indicating that vascular K_v7 channels are likely inactive in the preloaded rings. Conversely, ML213 potently dilated histamine-pre-contracted CAs, suggesting that K_v7 channels are activated during histamine applications and yet partially inhibited by histamine. Immunohistochemistry analysis revealed strong K_v7.4 immunostaining in the medial and intimal layers of the CA wall, whereas K_v7.5 immunostaining intensity was strong in the intimal but weak in the medial layers. The medial K_v7 immunostaining was significantly weaker in MetS Ossabaw CAs as compared to lean Ossabaw or domestic CAs. Consistently, histamine-pre-contracted MetS Ossabaw CAs exhibited attenuated ML213-dependent dilations. In domestic pig CAs, where medial K_v7 immunostaining intensity was stronger, histamine-induced contractions spontaneously decayed to ~31% of the peak amplitude within 4 minutes. Oppositely, in Ossabaw CAs, where K_v7 immunostaining intensity was weaker, the histamine-induced contractions were more sustained. XE991 pretreatment significantly slowed the decay rate of histamine-induced contractions in domestic CAs, supporting the hypothesis that increased K_v7 activity correlates with a faster rate of histamine-induced contraction decay. Alternatively, XE991 significantly decreased the amplitude of bradykinin-dependent dilations in pre-contracted CAs. We propose that in CAs, a decreased expression or a loss of function of K_v7 channels may lead to sustained histamine-induced contractions and reduced endothelium-dependent relaxation, both risk factors for coronary spasm.     

NADH oxidation and NAD+ reduction catalysed by tightly coupled inside-out vesicles from Paracoccus denitrificans.

Tightly coupled inside-out vesicles were prepared from Paracoccus denitrificans cells (SPP, sub-Paracoccus particles) and characterized kinetically. The rate of NADH oxidation, catalysed by SPP, increases 6-8 times on addition of gramicidin. The vesicles are capable of catalysing Delta micro H+-dependent reverse electron transfer from quinol to NAD+. The kinetic parameters of the NADH-oxidase and the reverse electron transfer carried out by membrane-bound P. denitrificans complex I were estimated and compared with those of the mitochondrial enzyme. The data demonstrate that catalytic properties of the dinucleotide-binding site of the bacterial and mitochondrial complex I are almost identical, pointing out similar organization of the site in mammals and P. denitrificans. Inhibition of the bacterial complex I by a specific inhibitor of Q reduction, rotenone, is very different from that of the mitochondrial enzyme. The inhibitor is capable of suppressing the NADH oxidation reaction only at micromolar concentrations, while the activity of mitochondrial enzyme is suppressed by nanomolar concentrations of rotenone. In contrast to the mitochondrial enzyme, rotenone, even at concentrations as high as 10 micro m, does not inhibit the reverse, Delta micro H+-dependent NAD+-reductase reaction on SPP.     

Explanations for the acclimation period preceding the mineralization of organic chemicals in aquatic environments

A study was conducted of possible reasons for acclimation of microbial communities to the mineralization of organic compounds in lake water and sewage. The acclimation period for the mineralization of 2 ng of p-nitrophenol (PNP) or 2,4-dichlorophenoxyacetic acid per ml of sewage was eliminated when the sewage was incubated for 9 or 16 days, respectively, with no added substrate. The acclimation period for the mineralization of 2 ng but not 200 ng or 2 micrograms of PNP per ml was eliminated when the compound was added to lake water that had been first incubated in the laboratory. Mineralization of PNP by Flavobacterium sp. was detected within 7 h at concentrations of 20 ng/ml to 2 micrograms/ml but only after 25 h at 2 ng/ml. PNP-utilizing organisms began to multiply logarithmically after 1 day in lake water amended with 2 micrograms of PNP per ml, but substrate disappearance was only detected at 8 days, at which time the numbers were approaching 10(5) cells per ml. The addition of inorganic nutrients reduced the length of the acclimation period from 6 to 3 days in sewage and from 6 days to 1 day in lake water. The prior degradation of natural organic materials in the sewage and lake water had no effect on the acclimation period for the mineralization of PNP, and naturally occurring inhibitors that might delay the mineralization were not present. The length of the acclimation phase for the mineralization of 2 ng of PNP per ml was shortened when the protozoa in sewage were suppressed by eucaryotic inhibitors, but it was unaffected or increased if the inhibitors were added to lake water.(ABSTRACT TRUNCATED AT 250 WORDS)