Abstract All cellular functions are governed by complex molecular machines that assemble through protein-protein interactions. Their atomic details are critical to the study of their molecular mechanisms but fewer than 5% of hundreds of thousands of human interactions have been structurally characterized. Here, we test the potential and limitations of recent progress in deep-learning methods using AlphaFold2 to predict structures for 65,484 human interactions. We show that higher confidence models are enriched in interactions supported by affinity or structure-based methods and can be orthogonally confirmed by spatial constraints defined by cross-link data. We identify 3,137 high confidence models, of which 1,371 have no homology to a known structure, from which we identify interface residues harbouring disease mutations, suggesting potential mechanisms for pathogenic variants. We find groups of interface phosphorylation sites that show patterns of co-regulation across conditions, suggestive of coordinated tuning of multiple interactions as signalling responses. Finally, we provide examples of how the predicted binary complexes can be used to build larger assemblies. Accurate prediction of protein complexes promises to greatly expand our understanding of the atomic details of human cell biology in health and disease.

ABSTRACT During every cell cycle, both the genome and the associated chromatin must be accurately replicated. Chromatin Assembly Factor-1 (CAF-1) is a key regulator of chromatin replication, but how CAF-1 cooperates with the DNA replication machinery is unknown. Here, we reveal that this crosstalk differs between the leading and lagging strand at replication forks. Using biochemical reconstitution, we show that DNA and histones promote CAF-1 recruitment to its binding partner PCNA and reveal that two CAF-1 complexes are required for efficient nucleosome assembly under these conditions. Remarkably, in the context of the replisome, CAF-1 competes with the leading strand DNA polymerase epsilon (Polε) for PCNA binding, but not with the lagging strand DNA polymerase Delta (Polδ). Yet, in cells, CAF-1 deposits newly synthesized histones equally on both daughter strands. Thus, on the leading strand, chromatin assembly by CAF-1 cannot occur simultaneously to DNA synthesis, while on the lagging strand both processes are coupled. We propose that these differences may facilitate distinct parental histone recycling mechanisms and accommodate the inherent asymmetry of DNA replication.

Abstract Over time structural adaptations enabled proteins and enzymes to have sufficient stability and flexibility to perform the basic functions of life under various environmental conditions. The catalytic cores of key metabolic enzymes of hyperthermophilic archaea work at a temperature range of 80-120 °C, similar to the conditions wher the earliest life forms may have thrived. Here we characterize a key enzyme of the central carbon metabolism of Pyrococcus furious, through an integrative approach combining structural mass spectrometry, cryo-electron microscopy, mass photometry and molecular modelling with molecular dynamics simulations. From our investigation, we unveil the structural organization of phosphoenolpyruvate synthase (PPSA). Its 24-meric assembly - weighing over 2 MDa - harbors flexible distal domains, whose proper functioning and coordination depends on widespread chemical acetylation of lysine residues. This non-enzymatic post-translational modification, along with other types of lysine modifications, also occurs on most other major protein complexes of P. furiosus. These modifications likely originated in the chemically favorable primordial conditions and gradually became highly specialized and enzyme-driven in more distantly related mesophiles and Eukaryotes.

The tricarboxylic acid (TCA) cycle, or Krebs cycle, is the central pathway of energy production in eukaryotic cells and plays a key part in aerobic respiration throughout all kingdoms of life. The enzymes involved in this cycle generate the reducing equivalents NADH and FADH2 by a series of enzymatic reactions, which are utilized by the electron transport chain to produce ATP. One of the pivotal enzymes in this cycle is 2-oxoglutarate dehydrogenase complex (OGDHC), which generates NADH by oxidative decarboxylation of 2-oxoglutarate to succinyl-CoA. OGDHC is a megadalton protein complex originally thought to be assembled just from three catalytically active subunits (E1o, E2o, E3). In fungi and animals, however, the protein MRPS36 has more recently been proposed as a putative additional component. Based on extensive XL-MS data obtained from measurements in mice and bovine heart mitochondria, supported by phylogenetic analyses, we provide evidence that MRPS36 is an essential member of OGDHC, albeit only in eukaryotes. Comparative sequence analysis and computational structure predictions reveal that in eukaryotic OGDHC, E2o does not contain the peripheral subunit-binding domain (PSBD), present in bacterial and archaeal E2o’s. We propose that in eukaryotes MRPS36 evolved as an E3 adaptor protein, functionally replacing the PSBD. We further provide a refined structural model of the complete eukaryotic OGDHC containing 16 E1o, 12 E3, and 6 subunits of MRPS36 accommodated around the OGDHC core composed of 24 E2o subunits (3.45 MDa). The model provides new insights into the OGDH complex topology and stipulates putative mechanistic implications.

Blunted first-phase insulin secretion and insulin deficiency are indicators of β cell dysfunction and diabetes manifestation. Therefore, insights into molecular mechanisms that regulate insulin homeostasis might provide entry sites to replenish insulin content and restore β cell function. Here, we identify the insulin inhibitory receptor (inceptor; encoded by the gene IIR/ELAPOR1) as an insulin-binding receptor that regulates insulin stores by lysosomal degradation. Using human induced pluripotent stem cell (SC)-derived islets, we show that IIR knockout (KO) results in enhanced SC β cell differentiation and survival. Strikingly, extended in vitro culture of IIR KO SC β cells leads to greatly increased insulin content and glucose-stimulated insulin secretion (GSIS). We find that inceptor localizes to clathrin-coated vesicles close to the plasma membrane and in the trans-Golgi network as well as in secretory granules, where it acts as a sorting receptor to direct proinsulin and insulin towards lysosomal degradation. Targeting inceptor using a monoclonal antibody increases proinsulin and insulin content and improves SC β cell GSIS. Altogether, our findings reveal the basic mechanisms of β cell insulin turnover and identify inceptor as an insulin degradation receptor.

Abstract Factor XI (FXI), a protein in the intrinsic coagulation pathway, can be activated by two enzymes. In hemostasis, FXI is activated by thrombin, while FXIIa-mediated activation is prothrombotic. The interactions between FXI and its activating enzymes are poorly understood due to their transient nature. Here, we applied structural proteomics, molecular dynamics simulations and binding assays to investigate the interface between thrombin and FXI including the dynamics underlying FXI activation. We demonstrate that activation of FXI is a multi-staged process, where thrombin first binds to Pro520 on FXI, after which it migrates towards the activation site by engaging the apple 1 domain and finally Arg378. We validated with known mutation sites and additionally found that Pro520 is conserved in prekallikrein (PK). This enables binding of thrombin even though it cannot activate PK. Understanding the exact binding of thrombin to FXI points a way for future interventions for bleeding or thrombosis.

Abstract Crosslinking mass spectrometry (XL-MS) adds tremendous value to structural biology investigations. Its main strength lies in uncovering structural information in the form of distance constraints between neighboring amino acids of proteins, protein regions and complex samples, which are difficult to assess by other analytical techniques. However, although several approaches have been proposed, interpreting XL-MS data in a structural context has been cumbersome. ChimeraX has gained momentum as a flexible and widely used software package for the visualization of structural data, but is currently lacking functionalities for integration of experimental XL-MS data. Here, we introduce XMAS, a bundle that allows users to load results from several XL-MS search engines directly into ChimeraX and map the information onto protein structures. Besides automatically locating distance constraints on protein structures, XMAS offers the possibility to work with replicate experiments and/or different crosslinkers, and filter this data based on the number of replicates for which a given distance constraint was detected, thereby increasing the data quality. Additionally, we introduce the concept of self-links, which allows easy modeling of homo-dimeric interactions. Its core functionality is extended by the implementation of seamless connections to the HADDOCK suite to streamline otherwise time-consuming tasks in structural modeling pipelines. We demonstrate these key elements of the XMAS bundle by modeling crosslinking data obtained from human fibrin clots. The software is freely available from the ChimeraX toolshed, with an extensive user manual and example datasets.

Abstract Photosynthesis, the fundamental process using light energy to convert CO 2 to organic matter, is vital for life on Earth. It relies on capturing light through light-harvesting complexes in evolutionarily well-conserved photosystems (PS) I and II and on the conversion of light energy into chemical energy. Composition and organization of both photosystem core complexes are well conserved across evolution. PSII is particularly sensitive to photodamage but benefits from a large diversity of photoprotective mechanisms, finely tuned for the specific light conditions. Light Harvesting Complex protein family members (LHC and LHC-like families) have acquired a dual function during evolution. Members of the LHC antenna complexes of photosystems capture light energy whereas others dissipate excess energy that cannot be harnessed for photosynthesis. This process mainly occurs through non photochemical quenching (NPQ). In this work, we focus on the LHL4 protein, which is a LHC-like protein induced by UV-B and blue light photoreceptor signaling pathways in the model green microalgae Chlamydomonas reinhardtii . We demonstrate that alongside established NPQ effectors, LHL4 plays a key role in photoprotection, preventing singlet oxygen accumulation in PSII and promoting cell survival upon light stress. LHL4 protective function is distinct from that of NPQ-related proteins, as it specifically and uniquely binds to the transient monomeric form of the core PSII complex, safeguarding its integrity. LHL4 characterization expands our understanding of the interplay between light harvesting and photoprotection mechanisms upon light stress in photosynthetic microalgae.