ABSTRACT MORN (Membrane Occupation and Recognition Nexus) repeat proteins have a wide taxonomic distribution, being found in both prokaryotes and eukaryotes. Despite this ubiquity, they remain poorly characterised at both a structural and a functional level compared to other common repeats. In functional terms, they are often assumed to be lipid-binding modules that mediate membrane targeting. We addressed this putative activity by focusing on a protein composed solely of MORN repeats – Trypanosoma brucei MORN1. Surprisingly, no evidence for binding to membranes or lipid vesicles by TbMORN1 could be obtained either in vivo or in vitro. Conversely, TbMORN1 did interact with individual phospholipids. High- and low-resolution structures of the MORN1 protein from Trypanosoma brucei and homologous proteins from the parasites Toxoplasma gondii and Plasmodium falciparum were obtained using a combination of macromolecular crystallography, small-angle X-ray scattering, and electron microscopy. This enabled a first structure-based definition of the MORN repeat itself. Furthermore, all three structures dimerised via their C-termini in an antiparallel configuration. The dimers could form extended or V-shaped quaternary structures depending on the presence of specific interface residues. This work provides a new perspective on MORN repeats, showing that they are protein-protein interaction modules capable of mediating both dimerisation and oligomerisation.

Abstract Cardiomyopathies, diseases of the heart muscle, are a leading cause of heart failure. An increasing proportion of cardiomyopathies have been associated with specific genetic changes, such as mutations in FLNC , the gene that codes for filamin C. Altogether, more than 300 variants of FLNC have been identified in patients, including a number of single point mutations. However, the role of a significant number of these mutations remains unknown. Here, we conducted a comprehensive analysis, starting from clinical data that led to identification of new pathogenic and non-pathogenic FLNC variants. We selected some of these variants for further characterization that included studies of in vivo effects on the morphology of neonatal cardiomyocytes to establish links to phenotype, and the in vitro thermal stability and structure determination to understand biophysical factors impacting function. We used these findings to compile vast datasets of pathogenic and non-pathogenic variant structures and developed a machine-learning-based neural network (AMIVA-F) to predict the impact of single point mutations. AMIVA-F outperformed most commonly used predictors both in disease related as well as neutral variants, approaching ∼80% accuracy. Taken together, our study documents additional FLNC variants, their biophysical and structural properties, and their link to the disease phenotype. Furthermore, we developed a state-of-the-art web-based server AMIVA-F that can be used for accurate predictions regarding the effect of single point mutations in human filamin C, with broad implications for basic and clinical research.

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 All endo- and exocytosis in the African trypanosome Trypanosoma brucei occurs at a single subdomain of the plasma membrane. This subdomain, the flagellar pocket, is a small vase-shaped invagination containing the root of the cell’s single flagellum. Several cytoskeleton-associated multiprotein complexes are coiled around the neck of the flagellar pocket on its cytoplasmic face. One of these, the hook complex, was proposed to affect macromolecule entry into the flagellar pocket lumen. In previous work, knockdown of the hook complex component TbMORN1 resulted in larger cargo being unable to enter the flagellar pocket. In this study, the hook complex component TbSmee1 was characterised in bloodstream form Trypanosoma brucei and was found to be essential for cell viability. TbSmee1 knockdown resulted in flagellar pocket enlargement and impaired access to the flagellar pocket membrane by surface-bound cargo, similar to depletion of TbMORN1. Unexpectedly, inhibition of endocytosis by knockdown of clathrin phenocopied TbSmee1 knockdown, suggesting that endocytic activity itself is a prerequisite for the entry of surface-bound cargo into the flagellar pocket. Summary Characterisation of the essential trypanosome protein TbSmee1 suggests that endocytosis is required for flagellar pocket access of surface-bound cargo.

Abstract Sarcomeres, the basic contractile units of striated muscle cells, contain arrays of thin (actin) and thick (myosin) filaments that slide past each other during contraction. The Ig-like domain containing protein myotilin provides structural integrity to Z-discs - the boundaries between adjacent sarcomeres. Myotilin binds to Z-disc components, including F-actin and α-actinin-2, but the molecular mechanism of binding and implications of these interactions on Z-disc integrity are still elusive. We used a combination of small angle X-ray scattering, cross-linking mass spectrometry, biochemical and molecular biophysics approaches. We discovered that myotilin displays conformational ensembles in solution. We generated a structural model of the F-actin:myotilin complex that revealed how myotilin interacts with and stabilizes F-actin via its Ig-like domains and flanking regions. Mutant myotilin designed with impaired F-actin binding showed increased dynamics in cells. Structural analyses and competition assays uncovered that myotilin displaces tropomyosin from F-actin. Our findings suggest a novel role of myotilin as a co-organizer of Z-disc assembly and advance our mechanistic understanding of myotilin’s structural role in Z-discs. Significance Statement Sarcomeres are the primary structural and functional unit of striated muscles, conferring movement in all animals. The Z-disk is the boundary between adjacent sarcomeres, where actin filaments (F-actin) are anchored. Z-disc protein myotilin, is a scaffold protein, which provides structural integrity to the Z-disc by multiple interactions to its central components, including F-actin and α-actinin-2. Here we provide the structure of myotilin, revealing its structural plasticity in solution and the first integrative structural model of its complex with F-actin. We further show that myotilin displaces tropomyosin from F-actin, implying a novel role of myotilin in sarcomere biogenesis beyond being an interaction hub for Z-disk partners. Highlights ፧ Myotilin is structurally described as a dynamic ensemble ፧ Flanking regions enhance F-acting binding to tandem Ig domains ፧ Integrative structural model of myotilin bound to F-actin ፧ Myotilin displaces tropomyosin from F-actin, suggesting an organisational role in Z-disc

Abstract The heptarepeats of the C-terminal domain (CTD) of RNA polymerase II (Pol II) are extensively modified throughout the transcription cycle. The CTD coordinates RNA synthesis and processing by recruiting transcription regulation factors as well as RNA capping, splicing and 3’end processing factors. The SPOC domain of PHF3 was recently identified as a new CTD reader domain specifically binding to phosphorylated serine-2 residues in adjacent CTD repeats. Here, we establish the SPOC domains of the human proteins DIDO, SHARP and RBM15 as phosphoserine binding modules that can act as CTD readers but also recognize other phosphorylated binding partners. We report the crystal structure of SHARP (SPEN) SPOC-CTD and identify the molecular determinants for its specific binding to phosphorylated serine-5. PHF3 and DIDO SPOC domains preferentially interact with the Pol II elongation complex, while RBM15 and SHARP SPOC domains engage with the m6A writer and reader proteins. Our findings establish the SPOC domain as a major interface between the transcription machinery and regulators of transcription and co-transcriptional processes.

The C-terminal domain (CTD) of the largest subunit of RNA polymerase II (Pol II) is a regulatory hub for transcription and RNA processing. Here, we identify PHD-finger protein 3 (PHF3) as a new CTD-binding factor that negatively regulates transcription and mRNA stability. The PHF3 SPOC domain preferentially binds to CTD repeats phosphorylated on Serine-2 and PHF3 tracks with Pol II across the length of genes. PHF3 competes with TFIIS for Pol II binding through its TFIIS-like domain (TLD), thus inhibiting TFIIS-mediated rescue of backtracked Pol II. PHF3 knock-out or PHF3 SPOC deletion in human cells result in gene upregulation and a global increase in mRNA stability, with marked derepression of neuronal genes. Key neuronal genes are aberrantly expressed in Phf3 knock-out mouse embryonic stem cells, resulting in impaired neuronal differentiation. Our data suggest that PHF3 is a prominent effector of neuronal gene regulation at the interface of transcription elongation and mRNA decay.

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.