Abstract Cross-linking mass spectrometry has developed into an important method to study protein structures and interactions. The in-solution cross-linking workflows involve time and sample consuming steps and do not provide sensible solutions for differentiating cross-links obtained from co-occurring protein oligomers, complexes, or conformers. Here we developed a cross-linking workflow combining blue native PAGE with in-gel cross-linking mass spectrometry (IGX-MS). This workflow circumvents steps, such as buffer exchange and cross-linker concentration optimization. Additionally, IGX-MS enables the parallel analysis of co-occurring protein complexes using only small amounts of sample. Another benefit of IGX-MS observed by experiments on GroEL and purified bovine heart mitochondria, is the substantial reduction of artificial over-length cross-links when compared to in-solution cross-linking. We next used IGX-MS to investigate the complement components C5, C6, and their hetero-dimeric C5b6 complex. The obtained cross-links were used to generate a refined structural model of the complement component C6, resembling C6 in its inactivated state. This finding shows that IGX-MS can be used to provide new insights into the initial stages of the terminal complement pathway.

Unregulated complement activation causes inflammatory and immunological pathologies with consequences for human disease. To prevent bystander damage during an immune response, extracellular chaperones (clusterin and vitronectin) capture and clear soluble precursors to the membrane attack complex (sMAC). However, how these chaperones block further polymerization of MAC and prevent the complex from binding target membranes remains unclear. Here, we address that question by combining cryo electron microscopy (cryoEM) and cross-linking mass spectrometry (XL-MS) to solve the structure of sMAC. Together our data reveal how clusterin recognizes and inhibits polymerizing complement proteins by binding a negatively charged surface of sMAC. Furthermore, we show that the pore-forming C9 protein is trapped in an intermediate conformation whereby only one of its two transmembrane β-hairpins has unfurled. This structure provides molecular details for immune pore formation and helps explain a complement control mechanism that has potential implications for how cell clearance pathways mediate immune homeostasis.

Abstract Immunoglobulin M (IgM) is an evolutionary conserved key component of humoral immunity, and the first antibody isotype to emerge during an immune response. IgM is a large (1 MDa), multimeric protein, for which both hexameric and pentameric structures have been described, the latter additionally containing a joining (J) chain. Using a combination of single-particle mass spectrometry and mass photometry, proteomics and immunochemical assays, we here demonstrate that circulatory (serum) IgM exclusively exists as a complex of J-chain-containing pentamers covalently bound to the small CD5 antigen-like (CD5L, 36 kDa) protein. In sharp contrast, secretory IgM in saliva and milk is principally devoid of CD5L. Unlike IgM itself, CD5L is not produced by B cells, implying that it associates with IgM in the extracellular space. We demonstrate that CD5L integration has functional implications, i.e., it diminishes IgM binding to two of its receptors, the FcαµR and the polymeric Immunoglobulin receptor (pIgR). On the other hand, binding to FcµR as well as complement activation via C1q seem unaffected by CD5L integration. Taken together, we redefine the composition of circulatory IgM as a J-chain containing pentamer, always in complex with CD5L.

Abstract The Membrane Attack Complex (MAC or C5b-9) is an important effector of the immune system to kill invading microbes. MAC is formed when complement enzymes on the bacterial surface convert complement component C5 into C5b. Although the MAC is a membrane-inserted complex, soluble forms of MAC (sMAC, or terminal complement complex (TCC)) are often detected in sera of patients suffering from infections. Consequently, sMAC has been proposed as a biomarker, but it remains unclear when and how it is formed during infections. Here, we studied mechanisms of MAC formation on bacteria and found that sMAC is primarily formed in human serum by bacteria resistant to MAC-dependent killing. Surprisingly, C5 was converted into C5b more potently by MAC-resistant compared to MAC-sensitive Escherichia coli strains. Both the increase in C5 conversion and sMAC generation were linked to the expression of lipopolysaccharide (LPS) O-Antigen in the bacterial outer membrane. In addition, we found that MAC precursors are released from the surface of MAC-resistant bacteria during MAC assembly. Release of MAC precursors from bacteria induced lysis of bystander human erythrocytes in the absence of other serum components. However, serum regulators vitronectin (Vn) and clusterin (Clu) can prevent this bystander lysis. Combining size exclusion chromatography with mass spectrometry profiling, we show that sMAC released from bacteria in serum is a heterogeneous mixture of complexes composed of C5b-8, up to 3 copies of C9 and multiple copies of Vn and Clu. Altogether, our data provide molecular insight into how sMAC is generated during bacterial infections. This fundamental knowledge could form the basis for exploring the use of sMAC as biomarker.