The synucleins are a family of intrinsically disordered proteins involved in various human diseases. alpha-Synuclein has been extensively characterized due to its role in Parkinson's disease where it forms intracellular aggregates, while gamma-synuclein is overexpressed in a majority of late-stage breast cancers. Despite fairly strong sequence similarity between the amyloid-forming regions of alpha- and gamma-synuclein, gamma-synuclein has only a weak propensity to form amyloid fibrils. We hypothesize that the different fibrillation tendencies of alpha- and gamma-synuclein may be related to differences in structural propensities. Here we have measured chemical shifts for gamma-synuclein and compared them to previously published shifts for alpha-synuclein. In order to facilitate direct comparison, we have implemented a simple new technique for re-referencing chemical shifts that we have found to be highly effective for both disordered and folded proteins. In addition, we have developed a new method that combines different chemical shifts into a single residue-specific secondary structure propensity (SSP) score. We observe significant differences between alpha- and gamma-synuclein secondary structure propensities. Most interestingly, gamma-synuclein has an increased alpha-helical propensity in the amyloid-forming region that is critical for alpha-synuclein fibrillation, suggesting that increased structural stability in this region may protect against gamma-synuclein aggregation. This comparison of residue-specific secondary structure propensities between intrinsically disordered homologs highlights the sensitivity of transient structure to sequence changes, which we suggest may have been exploited as an evolutionary mechanism for fast modulation of protein structure and, hence, function.

The crystal structures of a cysteine-215→serine mutant of protein tyrosine phosphatase 1B complexed with high-affinity peptide substrates corresponding to an autophosphorylation site of the epidermal growth factor receptor were determined. Peptide binding to the protein phosphatase was accompanied by a conformational change of a surface loop that created a phosphotyrosine recognition pocket and induced a catalytically competent form of the enzyme. The phosphotyrosine side chain is buried within the protein and anchors the peptide substrate to its binding site. Hydrogen bonds between peptide main-chain atoms and the protein contribute to binding affinity, and specific interactions of acidic residues of the peptide with basic residues on the surface of the enzyme confer sequence specificity.

Eph receptor tyrosine kinases (RTKs) and their ephrin ligands play a crucial role in both physiological and pathophysiological processes, including tumourigenesis. A previous study of Eph RTKs established a regulatory role for the juxtamembrane segment (JMS) in kinase activation through the phosphorylation of two tyrosines within the JMS. Here, structures of EphA2 representing various activation states are presented. By determining the unphosphorylated inactive and phosphorylated active structures as well as an alternative conformation, conformational changes during kinase activation have been revealed. It is shown that phosphorylation of a tyrosine residue (Tyr772) in the activation loop without direct involvement of the JMS is sufficient to activate the EphA2 kinase. This mechanistic finding is in contrast to the mechanism of other Eph RTKs, such as EphB2, in which phosphorylation of the two JMS tyrosines initiates the dissociation of the JMS and triggers activation-loop phosphorylation for kinase activation. Furthermore, experiments demonstrate that the EphA2 substrate PTEN, a phosphatase that has been implicated in tumour suppression, acts to regulate the phosphorylation states of EphA2, exemplifying a unique reciprocal enzyme-substrate system. Based on these studies, it is therefore suggested that EphA2 may possess an alternate activation mechanism distinct from other Eph RTKs.

Inorganic polyphosphate (polyP) is a linear polymer of orthophosphate that is present in nearly all organisms studied to date. A remarkable function of polyP involves its attachment to lysine residues via non-enzymatic post-translational modification (PTM) that is presumed to be covalent. Here, we show that proteins containing tracts of consecutive histidine residues exhibit a similar modification by polyP, which confers an electrophoretic mobility shift on NuPAGE gels. Our screen uncovered 30 human and yeast histidine repeat proteins that are specifically modified by polyP. This polyP modification is histidine-dependent and non-covalent in nature, though remarkably, it withstands harsh denaturing conditions - a hallmark of covalent PTMs. We have termed this interaction ionic histidine polyphosphorylation (iH-PPn) to describe its unique PTM-like properties. Importantly, we show that iH-PPn disrupts phase separation and phosphorylation activity of the human protein kinase DYRK1A, and inhibits the activity of the transcription factor MafB, highlighting iH-PPn as a potential hitherto unrecognized regulatory mechanism.

Pseudomonas aeruginosa utilizes the Type II secretion system (T2SS) to translocate a wide range of large, structured protein virulence factors through the periplasm to the extracellular environment for infection. In the T2SS, five pseudopilins assemble into the pseudopilus that acts as a piston to extrude exoproteins out of cells. Through structure determination of the pseudopilin complexes of XcpVWX and XcpVW and function analysis, we have confirmed that two minor pseudopilins, XcpV and XcpW, constitute a core complex indispensable to the pseudopilus tip. The absence of either XcpV or -W resulted in the non-functional T2SS. Our small-angle X-ray scattering experiment for the first time revealed the architecture of the entire pseudopilus tip and established the working model. Based on the interaction interface of complexes, we have developed inhibitory peptides. The structure-based peptides not only disrupted of the XcpVW core complex and the entire pseudopilus tip in vitro but also inhibited the T2SS in vivo. More importantly, these peptides effectively reduced the virulence of P. aeruginosa towards Caenorhabditis elegans.

Aspartate transcarbamoylase (ATCase) is a key enzyme which regulates and catalyzes the second step of de novo pyrimidine synthesis in all organisms. E. coli ATCase is a prototypic enzyme regulated by both product feedback and substrate cooperativity, whereas human ATCase is a potential anticancer target. Through structural and biochemical analyses, we revealed that R167/130's loop region in ATCase serves as a gatekeeper for the active site, playing a new and unappreciated role in feedback regulation. Based on virtual compound screening simultaneously targeting the new regulatory region and active site of human ATCase, two compounds were identified to exhibit strong inhibition of ATCase activity, proliferation of multiple cancer cell lines, and growth of xenograft tumors. Our work has not only revealed a previously unknown regulatory region of ATCase that helps explain feedback regulation, but also successfully guided the identification of new ATCase inhibitors for anticancer drug development using a dual-targeting strategy.

Abstract Neural circuit function is shaped both by the cell types that comprise the circuit and the connections between those cell types 1 . Neural cell types have previously been defined by morphology 2, 3 , electrophysiology 4, 5 , transcriptomic expression 6–8 , connectivity 9–13 , or even a combination of such modalities 14–16 . More recently, the Patch-seq technique has enabled the characterization of morphology (M), electrophysiology (E), and transcriptomic (T) properties from individual cells 17–20 . Using this technique, these properties were integrated to define 28, inhibitory multimodal, MET-types in mouse primary visual cortex 21 . It is unknown how these MET-types connect within the broader cortical circuitry however. Here we show that we can predict the MET-type identity of inhibitory cells within a large-scale electron microscopy (EM) dataset and these MET-types have distinct ultrastructural features and synapse connectivity patterns. We found that EM Martinotti cells, a well defined morphological cell type 22, 23 known to be Somatostatin positive (Sst+) 24, 25 , were successfully predicted to belong to Sst+ MET-types. Each identified MET-type had distinct axon myelination patterns and synapsed onto specific excitatory targets. Our results demonstrate that morphological features can be used to link cell type identities across imaging modalities, which enables further comparison of connectivity in relation to transcriptomic or electrophysiological properties. Furthermore, our results show that MET-types have distinct connectivity patterns, supporting the use of MET-types and connectivity to meaningfully define cell types.