Pressured by antibiotic use, resistance enzymes have been evolving new activities. Does such evolution have a cost? To investigate this question at the molecular level, clinically isolated mutants of the β-lactamase TEM-1 were studied. When purified, mutant enzymes had increased activity against cephalosporin antibiotics but lost both thermodynamic stability and kinetic activity against their ancestral targets, penicillins. The X-ray crystallographic structures of three mutant enzymes were determined. These structures suggest that activity gain and stability loss is related to an enlarged active site cavity in the mutant enzymes. In several clinically isolated mutant enzymes, a secondary substitution is observed far from the active site (Met182→Thr). This substitution had little effect on enzyme activity but restored stability lost by substitutions near the active site. This regained stability conferred an advantage in vivo. This pattern of stability loss and restoration may be common in the evolution of new enzyme activity.

The emerging view of Nε-lysine acetylation in eukaryotes is of a relatively abundant post-translational modification (PTM) that has a major impact on the function, structure, stability and/or location of thousands of proteins involved in diverse cellular processes. This PTM is typically considered to arise by the donation of the acetyl group from acetyl-coenzyme A (acCoA) to the ε-amino group of a lysine residue that is reversibly catalyzed by lysine acetyltransferases and deacetylases. Here, we provide genetic, mass spectrometric, biochemical and structural evidence that Nε-lysine acetylation is an equally abundant and important PTM in bacteria. Applying a recently developed, label-free and global mass spectrometric approach to an isogenic set of mutants, we detected acetylation of thousands of lysine residues on hundreds of Escherichia coli proteins that participate in diverse and often essential cellular processes, including translation, transcription and central metabolism. Many of these acetylations were regulated in an acetyl phosphate (acP)-dependent manner, providing compelling evidence for a recently reported mechanism of bacterial Nε-lysine acetylation. These mass spectrometric data, coupled with observations made by crystallography, biochemistry, and additional mass spectrometry showed that this acP-dependent acetylation is both non-enzymatic and specific, with specificity determined by the accessibility, reactivity and three-dimensional microenvironment of the target lysine. Crystallographic evidence shows acP can bind to proteins in active sites and cofactor binding sites, but also potentially anywhere molecules with a phosphate moiety could bind. Finally, we provide evidence that acP-dependent acetylation can impact the function of critical enzymes, including glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase, triosephosphate isomerase, and RNA polymerase.

ABSTRACT The infectious disease human monkeypox is spreading rapidly in 2022 causing a global health crisis. The genomics of the monkeypox virus (MPXV) have been extensively analyzed and reported, although little is known about the virus-encoded proteome. In particular, there is almost no structure information about MPXV proteins, other than computational models. Here we report a 1.52 Å x-ray structure of the MPXV protein A42R, the only MPXV-encoded protein with a known structure. This protein shows sequence similarity to profilins, which are cellular proteins known to function in regulation of actin cytoskeletal assembly. However, structural comparison of the A42R with known members of the profilin family reveals critical differences that support prior biochemical findings that this protein only weakly binds actin and does not bind poly(L-proline). In addition, the analysis suggests that this protein may have distinct interactions with phosphatidylinositol lipids. Overall, our data suggest that the role of A42R in replication of orthopoxviruses may not be easily determined by comparison to cellular profilins. Further, our findings support a need for increased efforts to determine high-resolution structures of other MPXV proteins to inform physiological studies of the poxvirus infection cycle and to reveal potential new strategies to combat human monkeypox should the infection become more common in the future.

Abstract There are currently no antiviral therapies specific against SARS-CoV-2, the virus responsible for the global pandemic disease COVID-19. To facilitate structure-based drug design, we conducted an X-ray crystallographic study of the nsp16/nsp10 2′- O -methyltransferase complex that methylates Cap-0 viral mRNAs to improve viral protein translation and to avoid host immune detection. Heterodimer structures are determined with the methyl donor S -adenosylmethionine (SAM), the reaction product S -adenosylhomocysteine (SAH) or the SAH analog sinefungin (SFG). Furthermore, structures of nsp16/nsp10 with the methylated Cap-0 analog (m 7 GpppA) and SAM or SAH bound were obtained. Comparative analysis revealed flexible loops in open and closed conformations at the m 7 GpppA binding pocket. Bound sulfates in several structures suggested the location of the phosphates in the ribonucleotide binding groove. Additional nucleotide binding sites were found on the face of the protein opposite the active site. These various sites and the conserved dimer interface could be exploited for development of antiviral inhibitors.

ABSTRACT The genome of the SARS-CoV-2 coronavirus contains 29 proteins, of which 15 are nonstructural. Nsp10 and Nsp16 form a complex responsible for the capping of mRNA at the 5′ terminus. In the methylation reaction the S-adenosyl-L-methionine serves as the donor of the methyl group that is transferred to Cap-0 at the first transcribed nucleotide to create Cap-1. The presence of Cap-1 makes viral RNAs mimic the host transcripts and prevents their degradation. To investigate the 2′-O methyltransferase activity of SARS-CoV-2 Nsp10/16, we applied fixed-target serial synchrotron crystallography (SSX) which allows for physiological temperature data collection from thousands of crystals, significantly reducing the x-ray dose while maintaining a biologically relevant temperature. We determined crystal structures of Nsp10/16 that revealed the states before and after the methylation reaction, for the first time illustrating coronavirus Nsp10/16 complexes with the m7 GpppA m2′-O Cap-1, where 2′OH of ribose is methylated. We compare these structures with structures of Nsp10/16 at 297 K and 100 K collected from a single crystal. This data provide important mechanistic insight and can be used to design small molecules that inhibit viral RNA maturation making SARS-CoV-2 sensitive to host innate response.

Abstract Capping viral messenger RNAs is essential for efficient translation and prevents their detection by host innate immune responses. For SARS-CoV-2, RNA capping includes 2′- O -methylation of the first ribonucleotide by methyltransferase nsp16 in complex with activator nsp10. The reaction requires substrates, a short RNA and SAM, and is catalyzed by divalent cations, with preference for Mn 2+ . Crystal structures of nsp16-nsp10 with capped RNAs revealed a critical role of metal ions in stabilizing interactions between ribonucleotides and nsp16, resulting in precise alignment of the substrates for methyl transfer. An aspartate residue that is highly conserved among coronaviruses alters the backbone conformation of the capped RNA in the binding groove. This aspartate is absent in mammalian methyltransferases and is a promising site for designing coronavirus-specific inhibitors.

Biofilm formation and surface attachment in multiple Alphaproteobacteria is driven by unipolar polysaccharide (UPP) adhesins. The pathogen Agrobacterium tumefaciens produces a UPP adhesin, which is regulated by the intracellular second messenger cyclic diguanylate monophosphate (c-di-GMP). Prior studies revealed that DcpA, a diguanylate cyclase-phosphodiesterase, is crucial in control of UPP production and surface attachment. DcpA is regulated by PruR, a protein with distant similarity to enzymatic domains known to coordinate the molybdopterin cofactor (MoCo). Pterins are bicyclic nitrogen-rich compounds, several of which are produced via a nonessential branch of the folate biosynthesis pathway, distinct from MoCo. The pterin-binding protein PruR controls DcpA activity, fostering c-di-GMP breakdown and dampening its synthesis. Pterins are excreted, and we report here that PruR associates with these metabolites in the periplasm, promoting interaction with the DcpA periplasmic domain. The pteridine reductase PruA, which reduces specific dihydro-pterin molecules to their tetrahydro forms, imparts control over DcpA activity through PruR. Tetrahydromonapterin preferentially associates with PruR relative to other related pterins, and the PruR-DcpA interaction is decreased in a pruA mutant. PruR and DcpA are encoded in an operon with wide conservation among diverse Proteobacteria including mammalian pathogens. Crystal structures reveal that PruR and several orthologs adopt a conserved fold, with a pterin-specific binding cleft that coordinates the bicyclic pterin ring. These findings define a pterin-responsive regulatory mechanism that controls biofilm formation and related c-di-GMP-dependent phenotypes in A. tumefaciens and potentially acts more widely in multiple proteobacterial lineages.

ABSTRACT Stenotrophomonas maltophilia expresses a type IV protein secretion system (T4SS) that promotes contact-dependent killing of other bacteria and does so partly by secreting the effector TfcB. Here, we report the structure of TfcB, comprising an N-terminal domain similar to the catalytic domain of glycosyl hydrolase (GH-19) chitinases and a C-terminal domain for recognition and translocation by the T4SS. Utilizing a two-hybrid assay to measure effector interactions with the T4SS coupling protein VirD4, we documented the existence of five more T4SS substrates. One of these was protein 20845, an annotated nuclease. A S. maltophilia mutant lacking the gene for 20845 was impaired for killing Escherichia coli , Klebsiella pneumoniae , and Pseudomonas aeruginosa . Moreover, the cloned 20845 gene conferred robust toxicity, with the recombinant E. coli being rescued when 20845 was co-expressed with its cognate immunity protein. The 20845 effector was an 899 amino-acid protein, comprised of a GHH-nuclease domain in its N-terminus, a large central region of indeterminant function, and a C-terminus for secretion. Engineered variants of the 20845 gene that had mutations in the predicted catalytic site did not impede E. coli , indicating that the antibacterial effect of 20845 involves its nuclease activity. Using flow cytometry with DNA staining, we determined that 20845, but not its mutant variants, confers a loss in DNA content of target bacteria. Database searches revealed that uncharacterized homologs of 20845 occur within a range of bacteria. These data indicate that the S. maltophilia T4SS promotes interbacterial competition through the action of multiple toxic effectors, including a potent, novel DNase. IMPORTANCE Stenotrophomonas maltophilia is a multi-drug-resistant, Gram-negative bacterium that is an emerging pathogen of humans. Patients with cystic fibrosis are particularly susceptible to S. maltophilia infection. In hospital water systems and various types of infections, S. maltophilia co-exists with other bacteria, including other pathogens such as Pseudomonas aeruginosa . We previously demonstrated that S. maltophilia has a functional VirB/D4 type VI protein secretion system (T4SS) that promotes contact-dependent killing of other bacteria. Since most work on antibacterial systems involves the type VI secretion system, this observation remains noteworthy. Moreover, S. maltophilia currently stands alone as a model for a human pathogen expressing an antibacterial T4SS. Using biochemical, genetic, and cell biological approaches, we now report both the discovery of a novel antibacterial nuclease (TfdA) and the first structural determination of a bactericidal T4SS effector (TfcB).

SARS-CoV-2 is a member of the coronaviridae family and is the etiological agent of the respiratory Coronavirus Disease 2019. The virus has spread rapidly around the world resulting in over two million cases and nearly 150,000 deaths as of April 17, 2020. Since no treatments or vaccines are available to treat COVID-19 and SARS-CoV-2, respiratory complications derived from the infections have overwhelmed healthcare systems around the world. This virus is related to SARS-CoV-1, the virus that caused the 2002-2004 outbreak of Severe Acute Respiratory Syndrome. In January 2020, the Center for Structural Genomics of Infectious Diseases implemented a structural genomics pipeline to solve the structures of proteins essential for coronavirus replication-transcription. Here we show the first structure of the SARS-CoV-2 nsp10-nsp16 2′-O-methyltransferase complex with S-adenosylmethionine at a resolution of 1.8 Å. This heterodimer complex is essential for capping viral mRNA transcripts for efficient translation and to evade immune surveillance.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.

Cyclic adenosine monophosphate (cAMP) receptor protein (Crp) is an important transcriptional regulator of Yersinia pestis. Expression of crp increases during pneumonic plague as the pathogen depletes glucose and forms large biofilms within lungs. To better understand control of Y. pestis Crp, we determined a 1.8 Å crystal structure of the protein-cAMP complex. We found that compared to Escherichia coli Crp, C helix amino acid substitutions in Y. pestis Crp did not impact cAMP dependency of Crp to bind DNA promoters. To investigate Y. pestis Crp-regulated genes during plague pneumonia, we performed RNA-sequencing on both wild-type and Δcrp mutant bacteria growing in planktonic and biofilm states in minimal media with glucose or glycerol. Y. pestis Crp is found to dramatically alter expression of hundreds of genes dependent upon carbon source and growth state. Gel shift assays confirmed direct regulation of the malT and ptsG promoters and Crp was then linked to Y. pestis growth on maltose as a sole carbon source. Iron-regulation genes ybtA and fyuA were found to be indirectly regulated by Crp. A new connection between carbon source and quorum sensing was revealed as Crp was found to regulate production of acyl-homoserine lactones (AHLs) through direct and indirect regulation of genes for AHL synthetases and receptors. AHLs were subsequently identified in the lungs of Y. pestis infected mice when crp expression is highest in Y. pestis biofilms. Thus, in addition to well-studied pla, other Crp-regulated genes likely have important functions during plague infection.