Abstract V-ATPases are rotary proton pumps that serve as signaling hubs with numerous proposed binding partners in cells. We used cryoEM combined with exhaustive focused classification to detect endogenous proteins that associate with V-ATPase from porcine kidney. A super-stoichiometric copy of subunit C was found in ~3% of complexes, while an additional ~1.6% of complexes bound mEAK-7, a protein with proposed roles in dauer formation in nematodes and mTOR signaling in mammals. High-resolution cryoEM of porcine kidney V-ATPase with recombinant mEAK-7 shows that mEAK-7’s TLDc domain interacts with V-ATPase’s stator while its C-terminal α helix binds V-ATPase’s rotor. This crosslink would be expected to inhibit rotary catalysis. However, unlike inhibition of yeast V-ATPase by the TLDc protein Oxr1p, exogenous mEAK-7 does not inhibit V-ATPase and mEAK-7 overexpression in cells does not alter lysosomal or phagosomal pH. Instead, cryoEM suggests that interaction of mEAK-7 with V-ATPase is disrupted by ATP-induced rotation of the rotor. Comparison of Oxr1p and mEAK-7 binding explains this difference. Together, these results show that differences in V-ATPase binding by TLDc domain-containing proteins can lead to effects ranging from strong inhibition to formation of labile interactions that are sensitive to the enzyme’s activity.

The cyclic oligonucleotide-based anti-phage signaling system (CBASS) is a family of defense system in prokaryotes 1, 2 . Composed of a cyclic GMP-AMP synthase (cGAS) and CBASS-associated proteins, CBASS utilizes cyclic oligonucleotides to activate antiviral immunity 3–6 . One major group of CBASS-associated proteins are homologs of eukaryotic E2 ubiquitin-conjugating enzymes. However, the function of E2 in CBASS remains elusive. Here, we report that a bacterial E2 enzyme regulates cGAS by imitating the entire ubiquitination cascade. This includes the processing of the cGAS C-terminus, conjugation of cGAS to a cysteine residue, ligation of cGAS to a lysine residue, cleavage of the isopeptide bond, and poly-cGASylation. The poly-cGASylation fully activates cGAS to produce cGAMP, which acts as an antiviral signal and leads to cell death. Our findings reveal unique regulatory roles of E2 in CBASS and provide insights into the origin of the ubiquitin system.

Abstract Structural Maintenance of Chromosomes (SMC) complexes use a proteinaceous ring-shaped architecture to organise chromosomes, thereby facilitating chromosome segregation. They utilise cycles of ATP binding and hydrolysis to transport themselves rapidly with respect to DNA, a process requiring protein conformational changes and multiple DNA contacts. We have analysed changes in the architecture of the Escherichia coli SMC complex, MukBEF, as a function of nucleotide binding to MukB and subsequent ATP hydrolysis. This builds upon previous work showing that MukF kleisin directs formation of a MukBEF tripartite ring as a consequence of functional interactions between the C- and N-terminal domains of MukF with the MukB head and neck, respectively (Zawadzka et al., 2018). Using both model truncated substrates and complexes containing full length MukB, we now demonstrate formation of MukBEF ‘dimers of dimers’, dependent on MukF dimerization, MukB head-engagement and MukE, which plays an essential role in organizing MukBEF complexes.

Abstract In Bacteroidetes, one of the dominant phyla of the mammalian gut, active uptake of large nutrients across the outer membrane is mediated by SusCD protein complexes via a “pedal bin” transport mechanism. However, many features of SusCD function in glycan uptake remain unclear, including ligand binding, the role of the SusD lid and the size limit for substrate transport. Here we characterise the β2,6 fructo-oligosaccharide (FOS) importing SusCD from Bacteroides thetaiotaomicron (Bt1762-Bt1763) to shed light on SusCD function. Co-crystal structures reveal residues involved in glycan recognition and suggest that the large binding cavity can accommodate several substrate molecules, each up to ∼2.5 kDa in size, a finding supported by native mass spectrometry and isothermal titration calorimetry. Mutational studies in vivo provide functional insights into the key structural features of the SusCD apparatus and cryo-EM of the intact dimeric SusCD complex reveals several distinct states of the transporter, directly visualising the dynamics of the pedal bin transport mechanism.

Abstract Structural Maintenance of Chromosomes (SMC) complexes contribute ubiquitously to chromosome organization-segregation. SMC proteins have a conserved architecture, with a dimerization hinge and an ATPase head domain separated by a long antiparallel intramolecular coiled-coil. Dimeric SMC proteins interact with essential accessory proteins, kleisins that bridge the two subunits of an SMC dimer, and HAWK/KITE accessory proteins that interact with kleisins. The ATPase activity of the Escherichia coli SMC protein, MukB, is essential for in vivo function and is regulated by interactions with its dimeric kleisin, MukF, and KITE, MukE. Here we demonstrate that, in addition, MukB interacts with Acyl Carrier Protein (AcpP) that has essential functions in fatty acid synthesis. We characterize the AcpP interaction site at the joint of the MukB coiled-coil and show that the interaction is essential for MukB ATPase and for MukBEF function in vivo . Therefore, AcpP is an essential co-factor for MukBEF action in chromosome organization-segregation.

Abstract Following translation of the SARS-CoV-2 RNA genome into two viral polypeptides, the main protease M pro cleaves at eleven sites to release non-structural proteins required for viral replication. M Pro is an attractive target for antiviral therapies to combat the coronavirus-2019 disease (COVID-19). Here, we have used native mass spectrometry (MS) to characterize the functional unit of M pro . Analysis of the monomer-dimer equilibria reveals a dissociation constant of K d = 0.14 ± 0.03 μM, revealing M Pro has a strong preference to dimerize in solution. Developing an MS-based kinetic assay we then characterized substrate turnover rates by following temporal changes in the enzyme-substrate complexes, which are effectively “flash-frozen” as they transition from solution to the gas phase. We screened small molecules, that bind distant from the active site, for their ability to modulate activity. These compounds, including one proposed to disrupt the catalytically active dimer, slow the rate of substrate processing by ~35%. This information was readily obtained and, together with analysis of the x-ray crystal structures of these enzyme-small molecule complexes, provides a starting point for the development of more potent molecules that allosterically regulate M Pro activity.

Abstract Bacteria utilize small extracellular molecules to communicate in order to collectively coordinate their behaviors in response to the population density. Autoinducer-2 (AI-2), a universal molecule for both intra- and inter-species communication, is involved in the regulation of biofilm formation, virulence, motility, chemotaxis and antibiotic resistance. While many studies have been devoted to understanding the biosynthesis and sensing of AI-2, very little information is available on its export. The protein TqsA from E. coli , which belongs to a large underexplored membrane transporter family, the AI-2 exporter superfamily, has been shown to export AI-2. Here, we report the cryogenic electron microscopic structures of two AI-2 exporters (TqsA and YdiK) from E. coli at 3.35 Å and 2.80 Å resolutions, respectively. Our structures suggest that the AI-2 exporter exists as a homo-pentameric complex. In silico molecular docking and native mass spectrometry experiments were employed to demonstrate the interaction between AI-2 and TqsA, and the results highlight the functional importance of two helical hairpins in substrate binding. We propose that each monomer works as an independent functional unit utilizing an elevator-type transport mechanism. This study emphasizes the structural distinctiveness of this family of pentameric transporters and provides fundamental insights for the ensuing studies.

Abstract Metalloids are elements with physical and chemical properties that are intermediate between metals and non-metals. Silicon (Si) is the most abundant metalloid in the Earth’s crust and occurs at high levels in many plants, especially those belonging to the Poaceae (grasses). Most of the world’s staple food crops such as rice, barley and maize accumulate silicon to high levels, resulting in resistance to abiotic and biotic stresses and consequently better plant growth and crop yields. The first step in silicon accumulation is the uptake of silicic acid (Si), the bioavailable from of silicon, by the roots, a process mediated by the structurally uncharacterised NIP subfamily of aquaporins. Here we present the X-ray crystal structure of the archetypal NIP family member from Oryza sativa (OsNIP2;1). While the OsNIP2;1 channel is closed in the crystal by intracellular loop D, unbiased molecular dynamics (MD) simulations reveal a rapid channel opening on sub-microsecond time scales. MD simulations further show how Si interacts with an extracellular five-residue selectivity filter that provides the main barrier for transmembrane diffusion. Our data provide a foundation for understanding and potential manipulation of metalloid selectivity of an important and understudied aquaporin subfamily. Significance Many of the world’s most important food crops such as rice, barley and maize accumulate silicon to high levels, resulting in better plant growth and crop yields. The first step in silicon accumulation is the uptake of silicic acid (Si) by the roots, a process mediated by the structurally uncharacterised NIP subfamily of aquaporins. Here, we present the X-ray crystal structure and molecular dynamics simulations of the archetypal NIP family member from Oryza sativa (OsNIP2;1) to visualise Si uptake. Our data provide a platform for improved understanding of Si uptake by plants that could be utilised, e.g ., in silicon biofortification of important crops and potential alleviation of arsenic accumulation in the rice grain.

Abstract The immune scavenger protein DC-SIGN interacts with glycosylated proteins and has a putative role in facilitating viral infection. How these recognition events take place with different viruses is not clear and the effects of glycosylation on the folding and stability of DC-SIGN have not been reported. Here, we develop and apply a mass spectrometry-based approach to both uncover and characterise the effects of O-glycans on the stability of DC-SIGN. We first quantify the Core 1 & 2 O-glycan structures on the carbohydrate recognition and extracellular domains of the protein via sequential exoglycosidase sequencing. We then use ion mobility mass spectrometry to show how specific O-glycans, and/or single monosaccharide substitutions, alter both the overall collision cross section and the gas-phase stability of the glycoprotein isoforms of DC-SIGN. We find that rather than the mass or length of glycoprotein modifications, the stability of DC-SIGN is better correlated with the number of glycosylation sites. Collectively, our results exemplify a combined multi-dimensional MS approach, proficient in evaluating protein stability in response to both glycoprotein macro- and micro-heterogeneity and adding structural detail to the infection enhancer DC-SIGN.

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.