Procedural modeling technique for three-dimensional cadastre - case study of a 3D detailed building model

176 σ.Με το πέρασμα των χρόνων, η έρευνα επικεντρώνεται ολοένα και περισσότερο στην ενσωμάτωση της τρίτης διάστασης σε όλους τους τομείς. Ιδιαίτερα η έρευνα αυτή κρίνεται σκόπιμη και απαραίτητη όταν αφορά την απεικόνιση της περίπλοκης αστικής πραγματικότητας, με τις επικαλυπτόμενες χρήσεις γης και τα επικαλυπτόμενα εμπράγματα δικαιώματα, αλλά και τη διαχείριση της γης από ένα λειτουργικό κτηματολογικό σύστημα. Οι δυνατότητες εφαρμογής ενός τρισδιάστατου κτηματολογικού συστήματος έχουν μελετηθεί εκτενώς, με στόχο την επίλυση προβλημάτων τέτοιας φύσεως. Συνολικά, ένα ολοκληρωμένο τρισδιάστατο κτηματολογικό σύστημα πρέπει να περιλαμβάνει κτηματολογικά δεδομένα που απεικονίζονται στις τρεις διαστάσεις και να λαμβάνει υπόψη θεσμικές, νομικές και τεχνικές πτυχές ανάλογα τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της κάθε χώρας. Ωστόσο, μέχρι σήμερα δεν υπάρχει κάποιο ολοκληρωμένο τρισδιάστατο Κτηματολόγιο εν λειτουργία σε κάποια χώρα του κόσμου. Φυσικά οι τεχνικοί περιορισμοί τείνουν να ελαχιστοποιούνται, όσο προοδεύει η τεχνολογία, ιδιαίτερα όσον αφορά την απεικόνιση σε τρεις διαστάσεις, ενώ συνολικά υπάρχει δυναμική πρόοδος στο συγκεκριμένο αντικείμενο. Στα πλαίσια της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας μελετώνται τα βασικά ζητήματα επί του τρισδιάστατου Κτηματολογίου και συγκεκριμένα η χρήση της κανονιστικής μοντελοποίησης για την τελική παραγωγή ενός μοντέλου κτηρίου με υψηλό επίπεδο λεπτομέρειας (τρισδιάστατη μοντελοποίηση εσωτερικού χώρου και εξωτερικού κελύφους) στην περιοχή του Χαλανδρίου της Αθήνας. Το λογισμικό που χρησιμοποιήθηκε κατά βάση ήταν το CityEngine, που παρέχει τη δυνατότητα αξιοποίησης της κανονιστικής μοντελοποίησης.Over the years, research has increasingly focused on the integration of the third dimension in all science areas. Particularly, this research is justified and necessary when it relates to the representation of the complex urban reality, with overlapping land uses and overlapping property rights, and the land management with the use of a sufficient and functional cadastral system. The potentials of applying a three-dimensional cadastral system have been extensively studied, in order to solve such problems. Overall, a three-dimensional integrated cadastral system should definitely include cadastral data depicted in three dimensions and take into account institutional, legal and technical aspects depending on the particular characteristics of each country. However, nowdays, there is no three-dimensional integrated Cadastre in operation all over the world. Certainly, the technical restrictions tend to be eliminated because of the advances on technology, especially regarding the visualization in three dimensions, while this topic shows dynamic progress. Within the purposes of this thesis, the key issues for the three-dimensional Cadastre were studied and specifically the use of procedural modeling for the generation of a building model with high level of detail (three-dimensional modeling of the interior and the outer shell of the building) at Halandri of Athens. CityEngine was the software which was funtamentally used and enables utilization of procedural modeling.Βασιλική Δ. Κωστ

Procedural modeling technique for three-dimensional cadastre - case study of a 3D detailed building model

176 σ.Με το πέρασμα των χρόνων, η έρευνα επικεντρώνεται ολοένα και περισσότερο στην ενσωμάτωση της τρίτης διάστασης σε όλους τους τομείς. Ιδιαίτερα η έρευνα αυτή κρίνεται σκόπιμη και απαραίτητη όταν αφορά την απεικόνιση της περίπλοκης αστικής πραγματικότητας, με τις επικαλυπτόμενες χρήσεις γης και τα επικαλυπτόμενα εμπράγματα δικαιώματα, αλλά και τη διαχείριση της γης από ένα λειτουργικό κτηματολογικό σύστημα. Οι δυνατότητες εφαρμογής ενός τρισδιάστατου κτηματολογικού συστήματος έχουν μελετηθεί εκτενώς, με στόχο την επίλυση προβλημάτων τέτοιας φύσεως. Συνολικά, ένα ολοκληρωμένο τρισδιάστατο κτηματολογικό σύστημα πρέπει να περιλαμβάνει κτηματολογικά δεδομένα που απεικονίζονται στις τρεις διαστάσεις και να λαμβάνει υπόψη θεσμικές, νομικές και τεχνικές πτυχές ανάλογα τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της κάθε χώρας. Ωστόσο, μέχρι σήμερα δεν υπάρχει κάποιο ολοκληρωμένο τρισδιάστατο Κτηματολόγιο εν λειτουργία σε κάποια χώρα του κόσμου. Φυσικά οι τεχνικοί περιορισμοί τείνουν να ελαχιστοποιούνται, όσο προοδεύει η τεχνολογία, ιδιαίτερα όσον αφορά την απεικόνιση σε τρεις διαστάσεις, ενώ συνολικά υπάρχει δυναμική πρόοδος στο συγκεκριμένο αντικείμενο. Στα πλαίσια της συγκεκριμένης διπλωματικής εργασίας μελετώνται τα βασικά ζητήματα επί του τρισδιάστατου Κτηματολογίου και συγκεκριμένα η χρήση της κανονιστικής μοντελοποίησης για την τελική παραγωγή ενός μοντέλου κτηρίου με υψηλό επίπεδο λεπτομέρειας (τρισδιάστατη μοντελοποίηση εσωτερικού χώρου και εξωτερικού κελύφους) στην περιοχή του Χαλανδρίου της Αθήνας. Το λογισμικό που χρησιμοποιήθηκε κατά βάση ήταν το CityEngine, που παρέχει τη δυνατότητα αξιοποίησης της κανονιστικής μοντελοποίησης.Over the years, research has increasingly focused on the integration of the third dimension in all science areas. Particularly, this research is justified and necessary when it relates to the representation of the complex urban reality, with overlapping land uses and overlapping property rights, and the land management with the use of a sufficient and functional cadastral system. The potentials of applying a three-dimensional cadastral system have been extensively studied, in order to solve such problems. Overall, a three-dimensional integrated cadastral system should definitely include cadastral data depicted in three dimensions and take into account institutional, legal and technical aspects depending on the particular characteristics of each country. However, nowdays, there is no three-dimensional integrated Cadastre in operation all over the world. Certainly, the technical restrictions tend to be eliminated because of the advances on technology, especially regarding the visualization in three dimensions, while this topic shows dynamic progress. Within the purposes of this thesis, the key issues for the three-dimensional Cadastre were studied and specifically the use of procedural modeling for the generation of a building model with high level of detail (three-dimensional modeling of the interior and the outer shell of the building) at Halandri of Athens. CityEngine was the software which was funtamentally used and enables utilization of procedural modeling.Βασιλική Δ. Κωστ

Dynamic elements at both cytoplasmically and extracellularly facing sides of the UapA transporter selectively control the accessibility of substrates to their translocation pathway

In the UapA uric acid–xanthine permease of Aspergillus nidulans, subtle interactions between key residues of the putative substrate binding pocket, located in the TMS8–TMS9 loop (where TMS is transmembrane segment), and a specificity filter, implicating residues in TMS12 and the TMS1–TMS2 loop, are critical for function and specificity. By using a strain lacking all transporters involved in adenine uptake (ΔazgA ΔfcyB ΔuapC) and carrying a mutation that partially inactivates the UapA specificity filter (F528S), we obtained 28 mutants capable of UapA-mediated growth on adenine. Seventy-two percent of mutants concern replacements of a single residue, R481, in the putative cytoplasmic loop TMS10–TMS11. Five missense mutations are located in TMS9, in TMS10 or in loops TMS1–TMS2 and TMS8–TMS9. Mutations in the latter loops concern residues previously shown to enlarge UapA specificity (Q113L) or to be part of a motif involved in substrate binding (F406Y). In all mutants, the ability of UapA to transport its physiological substrates remains intact, whereas the increased capacity for transport of adenine and other purines seems to be due to the elimination of elements that hinder the translocation of nonphysiological substrates through UapA, rather than to an increase in relevant binding affinities. The additive effects of most novel mutations with F528S and allele-specific interactions of mutation R481G (TMS10–TMS11 loop) with Q113L (TMS1–TMS2 loop) or T526M (TMS12) establish specific interdomain synergy as a critical determinant for substrate selection. Our results strongly suggest that distinct domains at both sides of UapA act as selective dynamic gates controlling substrate access to their translocation pathway

Mutational analysis and modeling reveal functionally critical residues in transmembrane segments 1 and 3 of the UapA transporter

Earlier, we identified mutations in the first transmembrane segment (TMS1) of UapA, a uric acid-xanthine transporter in Aspergillus nidulans, that affect its turnover and subcellular localization. Here, we use one of these mutations (H86D) and a novel mutation (I74D) as well as genetic suppressors of them, to show that TMS1 is a key domain for proper folding, trafficking and turnover. Kinetic analysis of mutants further revealed that partial misfolding and deficient trafficking of UapA does not affect its affinity for xanthine transport, but reduces that of uric acid and confers a degree of promiscuity towards the binding of other purines. This result strengthens the idea that subtle interactions among domains not directly involved in substrate binding refine the selectivity of UapA. Characterization of second-site suppressors of H86D revealed a genetic interaction of TMS1 with TMS3, the latter segment shown for the first time to be important for UapA function. Systematic mutational analysis of polar and conserved residues in TMS3 showed that Ser154 is crucial for UapA transport activity. Our results are in agreement with a topological model of UapA built on the recently published structure of UraA, a bacterial homolog of UapA

Modeling, substrate docking, and mutational analysis identify residues essential for the function and specificity of a eukaryotic purine-cytosine NCS1 transporter

Background: The purine-cytosine FcyB transporter is a prototype member of the NCS1 family. Results: Using homology modeling, substrate docking, and rational mutational analysis, we identify residues critical for function and specificity. Conclusion: Important aspects concerning the molecular mechanism and evolution of transporter specificity are revealed. Significance: The first systematic approach on structure-function-specificity relationships in a eukaryotic NCS1 member is shown

Genetic, molecular, biochemical and biophysical approaches in studying structure - function relations in transmembrane purine transporters

Membrane transport proteins play a crucial role in development, differentiation and survival of eukaryotic cells. Many human diseases have been linked to dysfunction or modified function of membrane transporters, such as cystic fibrosis and adrenoleukodystrophy. Due to technical difficulties, it is possible to crystallizeand yield of all the three dimensional structure of proteins. For this reason, a first idea for the folding of the various regions of the protein could be obtained by homology modeling, if there is provided a representative crystallographic structure. In recent years a large number crystallize transport proteins, and these are created by homology models related proteins. Such an example is secondary activity transporters. As crystallography yields a static, single, dynamic snapshot protein structure outside of the lipid bilayer, which is the physical topology, requires time and other biological approaches. In order to clarify the factors that determine the selectivity of substrate structures with low primary homology but high structural similarity is imperative that the combined use of crystallographic data and systematic mutagenesis. The latter biological approach in conjunction with the construction Homology modeling can bean effective and reliable approach to the study of structure-function relationships of transporters secondary activity. In this PhD thesis were studied by biophysical and genetic / molecular approaches two purine transporters in the model ascomycete Aspergillus nidulans, UapA and FcyB. UapA is a uric acid-xanthine / H+co-transporter of the NAT/NCS2 family, forwhich there is a wealth of structural and functional mutations. In this PhD thesis we constructed homology model, relying on the structure of UraA, the first X-ray crystallography of the family. The model was verified by molecular dynamics (Desmond). Calculations with rigid and flexible tether suggested binding site of the carrier substrate, amino acid residues involved, the fastening device and the path of the substrate from the binding site to the cytoplasm (LMCS, Glide-IFD, QSAR). To verify the calculations made by site-directed mutagenesis, mutations of residuesindicated by the calculations that are involved in binding and transport of the substrate. The strains bearing the mutations were characterized phenotypically completely (with growth assays in purines as sole nitrogen sources) and biochemically (by measuring uptake of radiolabeled xanthine and competition experiments) and also studied and their subcellular topology (by microscopic observation of the protein-conjugated GFP). The biological approach verified the calculations mooring and the estimated model. Finally, two other models were constructed homology family, carrier xanthine SNBT1 (in Rattus novergicus) and carrier L-ascorbate (in Homo sapiens). In models with these calculations suggested the binding of the substrate binding site and the residues were compared with the corresponding part of UapA. Found that the residues involved are common, indicating their evolutionary relationship. FcyB is a purine / H+co-transporter of the NCS1/PRT family, featured on A.nidulans. In this PhD thesis we constructed a homology model, based on the structure of Mhp1 of the same family. This model was confirmed by molecular dynamics calculations (Desmond). Finally, binding calculations suggested that the binding of substrates (adenine, hypoxanthine, guanine, cytosine) to the carrier and the affectedamino acid residues. Based on these results and maintenance of residues in primarysequence alignment proposed changes to verify the calculations tether both FcyB, and other family members in A. nidulans (FurA, FurD).Οι μεμβρανικές πρωτεΐνες μεταφοράς διαδραματίζουν κρίσιμο ρόλο στην ανάπτυξη, διαφοροποίηση και επιβίωση των ευκαρυωτικών κυττάρων. Πολλές ανθρώπινες ασθένειες έχουν συνδεθεί με δυσλειτουργία ή τροποποιημένη λειτουργία μεμβρανικών μεταφορέων, όπως η κυστική ίνωση και η αδρενολευκοδυστροφία. Εξαιτίας τεχνικών δυσκολιών, δεν είναι δυνατή η κρυστάλλωση και απόδοση της τρισδιάστατης δομής όλων των πρωτεϊνών. Για το λόγο αυτό, μια πρώτη ιδέα για την αναδίπλωση των διαφόρων περιοχών της πρωτεΐνης θα μπορούσε να ληφθεί μέσω μοντέλων ομολογίας, εάν υπάρχει διαθέσιμη μια αντιπροσωπευτική κρυσταλλογραφική δομή. Τα τελευταία χρόνια έχει κρυσταλλωθεί ένας μεγάλος αριθμός πρωτεϊνών μεταφοράς, και μέσω αυτών έχουν δημιουργηθεί μοντέλα ομολογίας συγγενικών πρωτεϊνών. Τέτοιο παράδειγμα αποτελούν οι μεταφορείς δευτερογενούς ενεργότητας. Καθώς η κρυσταλλογραφία αποδίδει ένα στατικό, μόνο,στιγμιότυπο δυναμικών πρωτεϊνικών δομών έξω από τη λιπιδική διπλοστοιβάδα, η οποία αποτελεί τη φυσική τους τοπολογία, απαιτούνται ταυτόχρονα και άλλες βιολογικές προσεγγίσεις. Προκειμένου να αποσαφηνιστούν οι παράγοντες που καθορίζουν την εκλεκτικότητα του υποστρώματος σε δομές με χαμηλή πρωτοταγή ομολογία, αλλά υψηλή δομική ομοιότητα είναι επιτακτική η συνδυαστική χρήση δεδομένων κρυσταλλογραφίας καθώς και συστηματικής μεταλλαξιγένεσης. Η τελευταία αυτή βιολογική προσέγγιση σε συνδυασμό με την κατασκευή μοντέλου ομολογίας μπορεί να αποτελέσει μια αποτελεσματική και αξιόπιστη προσέγγιση στη μελέτη των σχέσεων δομής-λειτουργίας των μεταφορέων δευτερογενούς ενεργότητας. Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής μελετήθηκαν με βιοφυσικές και γενετικές/μοριακές προσεγγίσεις δύο μεταφορείς πουρινών στον πρότυπο ασκομύκητα Aspergillus nidulans, ο UapA και ο FcyB.O UapA είναι ένας συμμεταφορέας ουρικού οξέος-ξανθίνης/Η+της οικογένειας NAT/NCS2, για τον οποίο υπάρχει πληθώρα δομικών και λειτουργικών μεταλλαγών. Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής κατασκευάστηκε το μοντέλο ομολογίας του, στηριζόμενο στην δομή του UraA, την πρώτη κρυσταλλογραφία της οικογένειας. Το μοντέλο επαληθεύτηκε με μοριακή δυναμική (Desmond). Με υπολογισμούς άκαμπτης και εύκαμπτης πρόσδεσης υπεδείχθη η θέση δέσμευσης του υποστρώματος στον μεταφορέα, τα αμινοξικά κατάλοιπα που συμμετέχουν, ο μηχανισμός πρόσδεσης και η πορεία του υποστρώματος από τη θέση δέσμευσης προς το κυτταρόπλασμα (LMCS, Glide-IFD, QSAR). Προς επαλήθευση των υπολογισμών κατασκευάστηκαν, με κατευθυνόμενη μεταλλαξιγένεση,μεταλλαγές των καταλοίπων που υποδείχθηκαν από τους υπολογισμούς ότι συμμετέχουν στη δέσμευση και μεταφορά του υποστρώματος. Τα στελέχη που έφεραν τις μεταλλαγές αυτές χαρακτηρίστηκαν πλήρως φαινοτυπικά (με δοκιμασίες ανάπτυξης σε πουρίνες ως μοναδικές πηγές αζώτου) και βιοχημικά (με μετρήσεις πρόσληψης ραδιοσημασμένης ξανθίνης και πειράματα ανταγωνισμού), καθώς επίσης μελετήθηκε και η υποκυτταρική τους τοπολογία (με μικροσκοπική παρατήρηση της πρωτεΐνης συνεζευγμένης με GFP). Η βιολογική αυτή προσέγγιση επαλήθευσε τους υπολογισμούς πρόσδεσης και το προβλεπόμενο μοντέλο. Τέλος, κατασκευάστηκαν άλλα δύο μοντέλα ομολογίας της οικογένειας, του μεταφορέα ξανθίνης SNBT1 (στονRattus novergicus) και του μεταφορέα L-ασκορβικού (στον Homo sapiens). Στα μοντέλα αυτά με υπολογισμούς πρόσδεσης υπεδείχθη το κέντρο δέσμευσης του υποστρώματος και συνεκρίθησαν τα κατάλοιπα που συμμετέχουν με τα αντίστοιχατου UapA. Βρέθηκε ότι τα κατάλοιπα που συμμετέχουν είναι κοινά, υποδεικνύοντας την εξελικτική τους σχέση.Ο FcyB είναι ένας συμμεταφορέας πουρινών/Η+της οικογένειας NCS1/PRT,χαρακτηρισμένος στον A. nidulans. Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής κατασκευάστηκε το μοντέλο ομολογίας του , βασιζόμενο στη δομή τουMhp1 της ίδιας οικογένειας. Το μοντέλο αυτό επιβεβαιώθηκε με υπολογισμούς μοριακής δυναμικής (Desmond). Τέλος, με υπολογισμούς πρόσδεσης υπεδείχθη η θέση δέσμευσης των υποστρωμάτων (αδενίνη, υποξανθίνη, γουανίνη, κυτοσίνη) στον μεταφορέα και τα εμπλεκόμενα αμινοξικά κατάλοιπα. Βάσει αυτών των αποτελεσμάτων και της συντήρησης των καταλοίπων στην στοίχιση πρωτοταγούς αλληλουχίας προτάθηκαν μεταλλαγές για την επαλήθευση των υπολογισμών πρόσδεσης τόσο στον FcyB, όσο και σε άλλα μέλη της οικογένειας στον A. nidulans (FurA, FurD)

Identification of the substrate recognition and transport pathway in a eukaryotic member of the nucleobase-ascorbate transporter (NAT) family.

Using the crystal structure of the uracil transporter UraA of Escherichia coli, we constructed a 3D model of the Aspergillus nidulans uric acid-xanthine/H(+) symporter UapA, which is a prototype member of the Nucleobase-Ascorbate Transporter (NAT) family. The model consists of 14 transmembrane segments (TMSs) divided into a core and a gate domain, the later being distinctly different from that of UraA. By implementing Molecular Mechanics (MM) simulations and quantitative structure-activity relationship (SAR) approaches, we propose a model for the xanthine-UapA complex where the substrate binding site is formed by the polar side chains of residues E356 (TMS8) and Q408 (TMS10) and the backbones of A407 (TMS10) and F155 (TMS3). In addition, our model shows several polar interactions between TMS1-TMS10, TMS1-TMS3, TMS8-TMS10, which seem critical for UapA transport activity. Using extensive docking calculations we identify a cytoplasm-facing substrate trajectory (D360, A363, G411, T416, R417, V463 and A469) connecting the proposed substrate binding site with the cytoplasm, as well as, a possible outward-facing gate leading towards the substrate major binding site. Most importantly, re-evaluation of the plethora of available and analysis of a number of herein constructed UapA mutations strongly supports the UapA structural model. Furthermore, modeling and docking approaches with mammalian NAT homologues provided a molecular rationale on how specificity in this family of carriers might be determined, and further support the importance of selectivity gates acting independently from the major central substrate binding site

Theoretical structure of UapA.

<p>(A) Modeled 3D structure of the UapA validated with molecular dynamics using Desmond software. (B) Top view of UapA model, indicating core (TMS1–4, 8–11)/gate (TMS5–7, 12–14) domains and TMS numbering. (C) Side view of UapA structure showing the topology of residues selected as crucial for the function (Q85, H86, E356, A363, Q408, N409, G411, T416, R417) and specificity (Q113, R481, T526, F528) of UapA. (D) Detailed view of dynamic interactions between TMS1 (Q85, H86), TMS8 (D360) and TMS10 (N409, T416). TMS14 is also shown to highlight the position of residues T526 and F528, which are mostly critical for UapA specificity, in respect to all other important residues in TMS1, TMS8 and TMS10, involved in substrate binding and transport. In (a), (c) and (d) the upper part of the figure is outward-facing and the lower part is cytoplasmic-facing.</p

Multiple alignment of UapA, UraA and NAT homologues of know function and specificity, used for UapA modeled structure.

<p>Putative transmembrane segments (TMS) of UapA are denoted in colored cylinders. TMSs forming short β-sheets are shown with arrows. α stands for a-helical segments. Invariant and highly conserved amino acids are shaded in red and blue-lined boxes, respectively. Amino acids critical for function and specificity discussed in the text are highlighted with asterisks: red for residues of the substrate binding site, orange for those located in the substrate translocation pathway, green for aminoacids enlarging specificity and black for other important residues involved in dynamic interactions of TMSs. The listed NAT homologues include: UapA of <i>Aspergillus nidulans</i>, GI: 88984992; UapC of <i>Aspergillus nidulans</i>, GI: 790973; Lpe1 of <i>Zea mays</i>, GI: 162462794; SNBT1 of <i>Rattus norvegicus</i>, GI: 284010030; SVCT1 of <i>Homo sapiens</i>, GI: 6652824; SVCT2 of <i>Homo sapiens</i>, GI: 6048257; XanQ of <i>Escherichia coli</i>, GI: 161784262; XanP of <i>Escherichia coli</i>, GI: 84028014; YgfU of <i>Escherichia coli</i>, GI: 85675700; PucJ of <i>Bacillus subtilis</i>, GI: 16080296; UraA of <i>Escherichia coli</i>, GI: 187775829; PyrP of <i>Lactococcus lactis</i>, GI: 15673585 and RutG of <i>Escherichia coli</i>, GI:89107857.</p

Structure Activity Relationship (SAR) model for the interaction of UapA with xanthine analogues.

<p>(A) Structures of XAN analogues used for model creation. (B) Predicted VS Experimental ΔG_binding. (C) Superposition of XAN analogues inside binding domain of UapA as proposed by final model.</p