Abstract Electron cryomicroscopy (cryo-EM) and single-particle analysis (SPA) have revolutionized structure determination of homogeneous proteins. However, obtaining high-resolution structures from heterogeneous samples remains a major challenge, as the various protein states embedded in thin films of vitreous ice may be classified incorrectly, resulting in detrimental averaging of features. Here we present native electrospray ion-beam deposition (native ES-IBD) for the preparation of extremely high-purity cryo-EM samples, based on mass selection in vacuum. Folded protein ions are generated by native electrospray ionization, mass-filtered, and gently deposited on cryo-EM grids, and subsequently frozen in liquid nitrogen. We demonstrate homogeneous coverage of ice-free cryo-EM grids with mass-selected proteins and protein assemblies. SPA reveals that they remain structurally intact, but variations in secondary and tertiary structure are currently limiting information in 2D classes and 3D EM density maps. Our results show the potential of native ES-IBD to increase the scope and throughput of cryo-EM structure determination.

ABSTRACT Protein glycosylation is one of the most common PTMs and many cell surface receptors, extracellular proteins and biopharmaceuticals are glycosylated. However, HDX-MS analysis of such important glycoproteins has so far been limited by difficulties in determining the HDX of the protein segments that contain glycans. We have developed a column containing immobilized PNGase Rc (from Rudaea cellulosilytica ) that can readily be implemented into a conventional HDX-MS setup to allow improved analysis of glycoproteins. We show that HDX-MS with the PNGase Rc column enables efficient online removal of N-linked glycans and the determination of the HDX of glycosylated regions in several complex glycoproteins. Additionally, we use the PNGase Rc column to perform a comprehensive HDX-MS mapping of the binding epitope of a mAb to c-Met, a complex glycoprotein drug target. Importantly, the column retains high activity in the presence of common quench-buffer additives like TCEP and urea and performed consistent across 114 days of extensive use. Overall, our work shows that HDX-MS with the integrated PNGase Rc column can enable fast and efficient online deglycosylation at harsh quench conditions to provide comprehensive analysis of complex glycoproteins.

ABSTRACT DNA gyrase, a ubiquitous bacterial enzyme, is a type IIA topoisomerase formed by heterotetramerisation of 2 GyrA subunits and 2 GyrB subunits, to form the active complex. GyrA is usually found as a dimer in solution, whereas GyrB can exist as a monomer. DNA gyrase is able to loop DNA around the C-terminal domains (CTDs) of GyrA and pass one DNA duplex through a transient double-strand break (DSB) established in another duplex. This results in the conversion of a positive loop into a negative one, thereby introducing negative supercoiling into the bacterial genome, an activity essential for DNA replication and transcription. The strong protein interface in the GyrA dimer must be broken to allow passage of the transported DNA segment and it is generally assumed that the interface is usually stable and only opens when DNA is transported, to prevent the introduction of deleterious DSBs in the genome. In this paper we show that DNA gyrase can exchange its DNA-cleaving interfaces between two active heterotetramers. This so-called interface “swapping” or “exchange” (IS) can occur within a few minutes in solution. We also show that bending of DNA by gyrase is essential for cleavage but not for DNA binding per se and favors IS. interface swapping is also favored by DNA wrapping and an excess of GyrB. We suggest that proximity, promoted by GyrB oligomerization and binding and wrapping along a length of DNA, between two heterotetramers favors rapid interface exchange. This exchange does not require ATP, can occur in the presence of fluoroquinolones, and raises the possibility of non-homologous recombination solely through gyrase activity. The ability of gyrase to undergo interface swapping also explains how gyrase heterodimers, containing a single active-site tyrosine, can carry out double-strand passage reactions and therefore suggests an alternative explanation to the recently proposed “swivelling” mechanism for DNA gyrase (Gubaev, Weidlich, and Klostermeier 2016).

Abstract The biomechanical properties and responses of tissues underpin a variety of physiological functions and pathologies. In striated muscle, the actin-binding protein filamin C (FLNC) is a key protein whose variants causative for a wide range of cardiomyopathies and musculoskeletal pathologies. Seemingly a multi-functional protein that interacts with a variety of partners, how FLNC is regulated at the molecular level is not well understood. Here we have investigated its interaction with HSPB7, a cardiac-specific molecular chaperone whose absence is embryonically lethal. We found that FLNC and HSPB7 interact in cardiac tissue under biomechanical stress, forming a strong hetero-dimer whose structure we have solved by means of X-ray crystallography. Our quantitative analyses show that the hetero-dimer out-competes the FLNC homo-dimer interface, potentially acting to abrogate the ability of the protein to cross-link the actin cytoskeleton, and to enhance its diffusive mobility. We show that phosphorylation of FLNC at threonine 2677, located at the dimer interface and associated with cardiac stress, acts to favour the homo-dimer. Conversely, phosphorylation at tyrosine 2683, also at the dimer interface, has the opposite effect and shifts the equilibrium towards the hetero-dimer. Evolutionary analysis and ancestral sequence reconstruction reveals this interaction and its mechanisms of regulation to date around the time primitive hearts evolved in chordates. Our work rationalises on the molecular level how FLNC might switch between stabilising functions in the cell, and reveals how HSPB7 acts as a specific molecular chaperone that regulates FLNC.

Abstract SHIP1, an inositol 5-phosphatase, plays a central role in cellular signalling. As such, it has been implicated in many conditions. Exploiting SHIP1 as a drug target will require structural knowledge and the design of selective small molecules. We have determined apo, and magnesium and phosphate-bound structures of the phosphatase and C2 domains of SHIP1. The C2 domains of SHIP1 and the related SHIP2 modulate the activity of the phosphatase domain. To understand the mechanism, we performed activity assays, hydrogen-deuterium-exchange mass spectrometry and molecular dynamics on SHIP1 and SHIP2. Our findings demonstrate that the influence of the C2 domain is more pronounced for SHIP2 than SHIP1. We determined 91 structures of SHIP1 with fragments bound, with some near the interface between the two domains. We performed a mass spectrometry screen and determined four structures with covalent fragments. These structures could act as starting points for the development of potent, selective probes.

Viral entry is mediated by oligomeric proteins on the virus and cell surfaces. The association is therefore open to multivalent interactions between these proteins, yet such recognition is typically rationalised as affinity between monomeric equivalents. As a result, assessment of the thermodynamic mechanisms that control viral entry has been limited. Here, we use mass photometry to overcome the analytical challenges consequent to multivalency. Examining the interaction between the spike protein of SARS-CoV-2 and the ACE2 receptor, we find that ACE2 induces oligomerisation of spike in a variant- dependent fashion. We also demonstrate that patient-derived antibodies use induced-oligomerisation as a primary inhibition mechanism or to enhance the effects of receptor-site blocking. Our results reveal that naive affinity measurements are poor predictors of potency, and introduce a novel antibody-based inhibition mechanism for oligomeric targets.

HSP27 (HSPB1) is a systemically expressed human small heat-shock protein that forms large, dynamic oligomers and functions in various aspects of cellular homeostasis. Mutations in HSP27 cause Charcot-Marie-Tooth disease, the most common inherited disorder of the peripheral nervous system. A particularly severe form of the disease is triggered by the P182L mutation within the highly conserved IxI/V motif of HSP27. Here, we observed that the P182L variant of HSP27 lacks the ability to prevent the aggregation of client proteins and formed significantly larger oligomers both in vitro and in vivo . NMR spectroscopy revealed that the P182L IxI/V motif binds its α-crystallin domain with significantly lower association rate, and thus affinity, rendering the binding site more available for other interactors. We identified 22 IxI/V-containing proteins that are known to interact with HSP27 and could therefore bind with enhanced affinity to the P182L variant. We validated this hypothesis through co-immunoprecipitation experiments, revealing that the IxI/V motif-bearing co-chaperone BAG3 indeed binds with higher affinity to the P182L variant. Our results provide a mechanistic basis for the impact of the P182L mutation on HSP27, and highlight the general importance of the IxI/V motif and its role in protein-protein interaction networks.

Amyloid formation is implicated in a range of neurodegenerative conditions including Alzheimer's and Parkinson's diseases. The small heat-shock protein αB-crystallin (αBC) is associated with both, and directly inhibits amyloid formation in vitro and its toxicity in cells. Studying the mechanism of aggregation inhibition is challenging owing to sample heterogeneity and the dynamic nature of the process. Here, by means of NMR spectroscopy and chemical kinetics, we establish the mechanism by which the protein α-lactalbumin aggregates and forms amyloid, and how this is inhibited by αBC. In particular, we characterise the lifetime of the unstable aggregation nucleus, and determine that this species is specifically destabilised by αBC. This mechanism allows the chaperone to delay the onset of aggregation, although it is overwhelmed on longer timescales. The methodology we present provides a mechanistic understanding of how αBC reduces the toxicity of amyloids, and is widely applicable to other complex mixtures.

Small heat-shock proteins (sHsps; HspBs) are molecular chaperones involved in the cellular stress response and a range of basal functions. Despite a multitude of targets, sHsp interactions are not well understood due their heterogeneous structures and weak binding affinities. The most widely expressed human sHsp, HspB1, is prevalent in striated muscle, where the actin cross-linker filamin C (FLNC, γ-filamin, ABP-L) is a putative binding partner. Musculoskeletal HspB1 is phosphorylated in response to a variety of cues, including mechanical stress, which promotes oligomer disassembly and association with myoarchitectural elements. Here, we report the up-regulation and interaction of both proteins in the hearts of a mouse model of heart failure, with HspB1 being phosphorylated and FLNC increasingly associated with the sarcomeric Z-disc. We used a combination of structural approaches to reveal that phosphorylation of HspB1 results in increased availability of the residues surrounding the phosphosite, facilitating their interaction with folded FLNC domains equivalent to a force-sensing region in the paralog filamin A. By employing native mass spectrometry, we show that domains 18 to 21 of FLNC are extensible under conditions mimicking force, with phosphorylated HspB1 stabilising an intermediate from further unfolding. These findings report on conformations accessible during the cycles of mechanical extension central to filamin function, and are consistent with an interaction between the chaperone and a native target that is strengthened upon the application of force. This may represent a new mode of molecular chaperone activity, allowing HspB1 to protect FLNC from over-extension during mechanical stress.

The small heat-shock protein HSP27 is a redox-sensitive molecular chaperone that is expressed throughout the human body. Here we describe redox-induced changes to the structure, dynamics, and function of HSP27 and its conserved α-crystallin domain, and provide the first structural characterization of a small heat-shock protein monomer. While HSP27 assembles into oligomers, we show that the transiently populated monomers released upon reduction are highly active chaperones in vitro, but are kinetically unstable and susceptible to uncontrolled aggregation. By using relaxation dispersion and high-pressure nuclear magnetic resonance spectroscopy, we reveal that the pair of β-strands that mediate dimerization become partially disordered in the monomer. Strikingly, we note that numerous HSP27 mutations associated with inherited neuropathies cluster to this unstructured region. The high degree of sequence conservation in the α-crystallin domain amongst mammalian sHSPs suggests that partially unfolded monomers may be a general, functional feature of these molecular chaperones.