Abstract The SARS-CoV-2 nucleocapsid (N) protein is an abundant RNA-binding protein critical for viral genome packaging, yet the molecular details that underlie this process are poorly understood. Here we combine single-molecule spectroscopy with all-atom simulations to uncover the molecular details that contribute to N protein function. N protein contains three dynamic disordered regions that house putative transiently-helical binding motifs. The two folded domains interact minimally such that full-length N protein is a flexible and multivalent RNA-binding protein. N protein also undergoes liquid-liquid phase separation when mixed with RNA, and polymer theory predicts that the same multivalent interactions that drive phase separation also engender RNA compaction. We offer a simple symmetry-breaking model that provides a plausible route through which single-genome condensation preferentially occurs over phase separation, suggesting that phase separation offers a convenient macroscopic readout of a key nanoscopic interaction.

The SARS-CoV-2 nucleocapsid (N) protein is an abundant RNA binding protein critical for viral genome packaging, yet the molecular details that underlie this process are poorly understood. Here we combine single-molecule spectroscopy with all-atom simulations to uncover the molecular details that contribute to N protein function. N protein contains three dynamic disordered regions that house putative transiently-helical binding motifs. The two folded domains interact minimally such that full-length N protein is a flexible and multivalent RNA binding protein. N protein also undergoes liquid-liquid phase separation when mixed with RNA, and polymer theory predicts that the same multivalent interactions that drive phase separation also engender RNA compaction. We offer a simple symmetry-breaking model that provides a plausible route through which single-genome condensation preferentially occurs over phase separation, suggesting that phase separation offers a convenient macroscopic readout of a key nanoscopic interaction.

INTRODUCTION: TREM2 is an innate immune receptor expressed on myeloid cells including microglia in the brain. How TREM2 engages different ligands remains poorly understood. METHODS: We used comprehensive BLI analysis to investigate the TREM2 interactions with ApoE and amyloid beta 42. RESULTS: TREM2 binding did not depend on ApoE lipidation, and there were only slight differences in affinity observed between ApoE isoforms (E4 > E3 > E2). Surprisingly, disease-linked TREM2 variants within a "basic patch" minimally impact ApoE binding. Instead, TREM2 has a unique hydrophobic surface that can bind to ApoE. This direct engagement requires the major hinge region of ApoE. TREM2 directly binds monomeric amyloid beta 42 and can potently inhibit amyloid beta 42 polymerization, suggesting a potential mechanism for soluble TREM2 (sTREM2) in preventing AD pathogenesis. DISCUSSION: These findings demonstrate that TREM2 has at least two separate surfaces to engage ligands and uncovers a potential function for sTREM2 in directly binding and inhibiting amyloid beta polymerization.

ABSTRACT The SARS-CoV-2 Nucleocapsid (N) protein is responsible for condensation of the viral genome. Characterizing the mechanisms controlling nucleic acid binding is a key step in understanding how condensation is realized. Here, we focus on the role of the RNA Binding Domain (RBD) and its flanking disordered N-Terminal Domain (NTD) tail, using single-molecule Förster Resonance Energy Transfer and coarse-grained simulations. We quantified contact site size and binding affinity for nucleic acids and concomitant conformational changes occurring in the disordered region. We found that the disordered NTD increases the affinity of the RBD for RNA by about 50-fold. Binding of both nonspecific and specific RNA results in a modulation of the tail configurations, which respond in an RNA length-dependent manner. Not only does the disordered NTD increase affinity for RNA, but mutations that occur in the Omicron variant modulate the interactions, indicating a functional role of the disordered tail. Finally, we found that the NTD-RBD preferentially interacts with single-stranded RNA and that the resulting protein:RNA complexes are flexible and dynamic. We speculate that this mechanism of interaction enables the Nucleocapsid protein to search the viral genome for and bind to high-affinity motifs.

The cardiac troponin complex, composed of troponins I, T, and C, plays a central role in regulating the calcium-dependent interactions between myosin and the thin filament. Mutations in troponin can cause cardiomyopathies; however, it is still a major challenge for the field to connect how changes in sequence affect troponin's function. Recent high-resolution structures of the thin filament revealed critical insights into the structure-function relationship of the troponin complex, but there remain large, unresolved segments of troponin, including the troponin-T linker region that is a hotspot for several cardiomyopathy mutations. This unresolved yet functionally-significant linker region has been proposed to be intrinsically disordered, with behaviors that are not well described by traditional structural approaches; however, this proposal has not been experimentally verified. Here, we used a combination of single-molecule Förster resonance energy transfer (FRET), molecular dynamics simulations, and functional reconstitution assays to investigate the troponin-T linker region. We experimentally and computationally show that in the context of both isolated troponin and the fully regulated troponin complex, the linker behaves as a dynamic, intrinsically disordered region. This region undergoes polyampholyte expansion in the presence of high salt and distinct conformational changes during the assembly of the troponin complex. We also examine the ΔE160 hypertrophic cardiomyopathy mutation in the linker, and we demonstrate that this mutation does not affect the conformational dynamics of the linker, rather it allosterically affects interactions with other subunits of the troponin complex, leading to increased molecular contractility. Taken together, our data clearly demonstrate the importance of disorder within the troponin-T linker and provide new insights into the molecular mechanisms controlling the pathogenesis of cardiomyopathies.

Abstract The ε4-allele variant of Apolipoprotein E (ApoE4) is the strongest genetic risk factor for Alzheimer’s disease, though it only differs from its neutral counterpart ApoE3 by a single amino acid substitution. While ApoE4 influences the formation of plaques and neurofibrillary tangles, the structural determinants of pathogenicity remain undetermined due to limited structural information. We apply a combination of single-molecule spectroscopy and molecular dynamics simulations to construct an atomically-detailed model of monomeric ApoE4 and probe the effect of lipid association. Our data reveal that ApoE4 is far more disordered than previously thought and retains significant conformational heterogeneity after binding lipids. In particular, the behavior of the hinge region and C-terminal domain of ApoE4 differs substantially from that proposed in previous models and provides a crucial foundation for understanding how ApoE4 differs from non-pathogenic and protective variants of the protein.

Abstract Actin capping protein (CP) can be regulated by steric and allosteric mechanisms. The molecular mechanism of the allosteric regulation at a biophysical level includes linkage between the binding sites for three ligands: F-actin, Capping-Protein-Interacting (CPI) motifs, and V-1/myotrophin, based on biochemical functional studies and solvent accessibility experiments. Here, we investigated the mechanism of allosteric regulation at the atomic level using single-molecule Förster resonance energy transfer (FRET) and molecular dynamics (MD) to assess the conformational and structural dynamics of CP in response to linked-binding site ligands. In the absence of ligand, both single-molecule FRET and MD revealed two distinct conformations of CP in solution; previous crystallographic studies revealed only one. CPI-motif peptide association induced conformational changes within CP that propagate in one direction, while V-1 association induced conformational changes in the opposite direction. Comparing CPI-motif peptides from different proteins, we identified variations in CP conformations and dynamics that are specific to each CPI motif. MD simulations for CP alone and in complex with a CPI motif and V-1 reveal atomistic details of the conformational changes. Analysis of the interaction of CP with wildtype (wt) and chimeric CPI-motif peptides using single-molecule FRET, isothermal calorimetry (ITC) and MD simulation indicated that conformational and affinity differences are intrinsic to the C-terminal portion of the CPI-motif. We conclude that allosteric regulation of CP involves changes in conformation that disseminate across the protein to link distinct binding-site functions. Our results provide novel insights into the biophysical mechanism of the allosteric regulation of CP.