Flexible spikes The severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) spike protein enables viral entry into host cells by binding to the angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) receptor and is a major target for neutralizing antibodies. About 20 to 40 spikes decorate the surface of virions. Turoňová et al. now show that the spike is flexibly connected to the viral surface by three hinges that are well protected by glycosylation sites. The flexibility imparted by these hinges may explain how multiple spikes act in concert to engage onto the flat surface of a host cell. Science , this issue p. 203

Abstract More than 75% of surface and secreted proteins are modified by covalent addition of complex sugars through N- and O-glycosylation. Unlike proteins, glycans do not typically adopt specific secondary structures and remain very mobile, influencing protein dynamics and interactions with other molecules. Glycan conformational freedom impairs complete structural elucidation of glycoproteins. Computer simulations may be used to model glycan structure and dynamics. However, such simulations typically require thousands of computing hours on specialized supercomputers, thus limiting routine use. Here, we describe a reductionist method that can be implemented on personal computers to graft ensembles of realistic glycan conformers onto static protein structures in a matter of minutes. Using this open-source pipeline, we reconstructed the full glycan cover of SARS-CoV-2 Spike protein (S-protein) and a human GABAA receptor. Focusing on S-protein, we show that GlycoSHIELD recapitulates key features of extended simulations of the glycosylated protein, including epitope masking, and provides new mechanistic insights on N-glycan impact on protein structural dynamics.

The protein Atg2 has been proposed to form a membrane tether that mediates lipid transfer from the ER to the phagophore in autophagy. However, recent kinetic measurements on the human homolog ATG2A indicated a transport rate of only about one lipid per minute, which would be far too slow to deliver the millions of lipids required to form a phagophore on a physiological time scale. Here, we revisit the analysis of the fluorescence quenching experiments. We develop a detailed kinetic model of the lipid transfer between two membranes bridged by a tether that forms a conduit for lipids. The model provides an excellent fit to the fluorescence experiments, with a lipid transfer rate of about 100 per second and protein. At this rate, Atg2-mediated transfer can supply a significant fraction of the lipids required in autophagosome biogenesis. Our kinetic model is generally applicable to lipid-transfer experiments, in particular to proteins forming organelle contact sites in cells.

Abstract Phase separation is thought to be one possible mechanism governing the selective cellular enrichment of biomolecular constituents for processes such as transcriptional activation, mRNA regulation, and immune signaling. Phase separation is mediated by multivalent interactions of biological macromolecules including intrinsically disordered proteins and regions (IDRs). Despite considerable advances in experiments, theory and simulations, the prediction of the thermodynamics of IDR phase behaviour remains challenging. We combined coarse-grained molecular dynamics simulations and active learning to develop a fast and accurate machine learning model to predict the free energy and saturation concentration for phase separation directly from sequence. We validate the model using both experimental and computational data. We apply our model to all 27,663 IDRs of chain length up to 800 residues in the human proteome and find that 1,420 of these (5%) are predicted to undergo homotypic phase separation with transfer free energies < −2 k B T . We use our model to understand the relationship between single-chain compaction and phase separation, and find that changes from charge-to hydrophobicity-mediated interactions can break the symmetry between intra-and inter-molecular interactions. We also analyse the structural preferences at condensate interfaces and find substantial heterogeneity that is determined by the same sequence properties as phase separation. Our work refines the established rules governing the relationships between sequence features and phase separation propensities, and our prediction models will be useful for interpreting and designing cellular experiments on the role of phase separation, and for the design of IDRs with specific phase separation propensities.

Abstract Disordered proteins and nucleic acids can condense into droplets that resemble the membraneless organelles observed in living cells. MD simulations offer a unique tool to characterize the molecular interactions governing the formation of these biomolecular condensates, their physico-chemical properties, and the factors controlling their composition and size. However, biopolymer condensation depends sensitively on the balance between different energetic and entropic contributions. Here, we develop a general strategy to fine-tune the potential energy function for molecular dynamics simulations of biopolymer phase separation. We rebalance protein-protein interactions against solvation and entropic contributions to match the excess free energy of transferring proteins between dilute solution and condensate. We illustrate this formalism by simulating liquid droplet formation of the FUS low complexity domain (LCD) with a rebalanced MARTINI model. By scaling the strength of the nonbonded interactions in the coarse-grained MARTINI potential energy function, we map out a phase diagram in the plane of protein concentration and interaction strength. Above a critical scaling factor of α c ≈ 0.6, FUS LCD condensation is observed, where α = 1 and 0 correspond to full and repulsive interactions in the MARTINI model, respectively. For a scaling factor α = 0.65, we recover the experimental densities of the dilute and dense phases, and thus the excess protein transfer free energy into the droplet and the saturation concentration where FUS LCD condenses. In the region of phase separation, we simulate FUS LCD droplets of four different sizes in stable equilibrium with the dilute phase and slabs of condensed FUS LCD for tens of microseconds, and over one millisecond in aggregate. We determine surface tensions in the range of 0.01 to 0.4mN/m from the fluctuations of the droplet shape and from the capillary-wave-like broadening of the interface between the two phases. From the dynamics of the protein end-to-end distance, we estimate shear viscosities from 0.001 to 0.02Pas for the FUS LCD droplets with scaling factors α in the range of 0.625 to 0.75, where we observe liquid droplets. Significant hydration of the interior of the droplets keeps the proteins mobile and the droplets fluid.

Abstract YT521-B homology (YTH) domain proteins act as readers of N6 -methyladenosine (m 6 A) in mRNA. Members of the YTHDF clade determine properties of m 6 A-containing mRNAs in the cytoplasm. Vertebrates encode three YTHDF proteins whose possible functional specialization is debated. In land plants, the YTHDF clade has expanded from one member in basal lineages to eleven so-called EVOLUTIONARILY CONSERVED C-TERMINAL REGION1-11 (ECT1-11) proteins in Arabidopsis thaliana , named after the conserved YTH domain placed behind a long N-terminal intrinsically disordered region (IDR). ECT2 , ECT3 and ECT4 show genetic redundancy in stimulation of primed stem cell division, but the origin and implications of YTHDF expansion in higher plants are unknown, as it is unclear whether it involves acquisition of fundamentally different molecular properties, in particular of their divergent IDRs. Here, we use functional complementation of ect2 / ect3 / ect4 mutants to test whether different YTHDF proteins can perform the same function when similarly expressed in leaf primordia. We show that stimulation of primordial cell division relies on an ancestral molecular function of the m 6 A-YTHDF axis in land plants that is present in bryophytes and is conserved over YTHDF diversification, as it appears in all major clades of YTHDF proteins in flowering plants. Importantly, although our results indicate that the YTH domains of all arabidopsis ECT proteins have m 6 A-binding capacity, lineage-specific neo-functionalization of ECT1, ECT9 and ECT11 happened after late duplication events, and involves altered properties of both the YTH domains, and, especially, of the IDRs. We also identify two biophysical properties recurrent in IDRs of YTHDF proteins able to complement ect2 ect3 ect4 mutants, a clear phase separation propensity and a charge distribution that creates electric dipoles. Human and fly YTHDFs do not have IDRs with this combination of properties and cannot replace ECT2/3/4 function in arabidopsis, perhaps suggesting different molecular activities of YTHDF proteins between major taxa. Author Summary Regulation of gene expression is essential to life. It ensures correct balancing of cellular activities and the controlled proliferation and differentiation necessary for the development of multicellular organisms. Methylation of adenosines in mRNA (m 6 A) contributes to genetic control, and absence of m 6 A impairs embryo development in plants and vertebrates. m 6 A-dependent regulation can be exerted by a group of cytoplasmic proteins called YTHDFs. Higher plants have many more YTHDFs than animals, but it is unknown whether these many YTHDF proteins carry out fundamentally different or roughly the same molecular functions, as only a small fraction of them have been studied thus far. This work addresses the origin and reasons behind YTHDF expansion during land plant evolution and reveals that most YTHDFs in flowering plants have the same molecular functions that facilitate rapid division of differentiating stem cells. Remarkably, this molecular activity is present in the most basal lineage of land plants and functions similarly across 450 million years of land plant evolution. We also identified a few plant YTHDF proteins with divergent molecular function despite their ability to bind to m 6 A. Our work provides a firm basis for further advances on understanding molecular properties and biological contexts underlying YTHDF diversification.

Abstract Polyamines are small, organic polycations that are ubiquitous and essential to all forms of life. Currently, how polyamines are transported across membranes is not understood. Recent studies have suggested that ATP13A2 and its close homologs, collectively known as P5B-ATPases, are polyamine transporters at endo-/lysosomes. Loss-of-function mutations of ATP13A2 in humans cause hereditary early-onset Parkinson’s disease. To understand the polyamine transport mechanism of ATP13A2, we determined high-resolution cryo-EM structures of human ATP13A2 in five distinct conformational intermediates, which together represent a near-complete transport cycle of ATP13A2. The structural basis of the polyamine specificity was revealed by an endogenous polyamine molecule bound to a narrow, elongated cavity within the transmembrane domain. The structures show an atypical transport path for a water-soluble substrate, where polyamines may exit within the cytosolic leaflet of the membrane. Our study provides important mechanistic insights into polyamine transport and a framework to understand functions and mechanisms of P5B-ATPases. Highlights Cryo-EM structures of human ATP13A2 in five distinct conformations at 2.5–3.7 Å resolutions. Unique features of ATP13A2 in comparison to other P-type ATPases. Structure of the substrate-binding pocket of ATP13A2 and the molecular basis of polyamine binding. Conformational changes along the transport cycle and proposed model for polyamine transport.

Abstract Many proteins contain more than one folded domain, and such modular multi-domain proteins help expand the functional repertoire of proteins. Because of their larger size and often substantial dynamics, it may be difficult to characterize the conformational ensembles of multi-domain proteins by simulations. Here, we present a coarse-grained model for multi-domain proteins that is both fast and provides an accurate description of the global conformational properties in solution. We show that the accuracy of a one-bead-per-residue coarse-grained model depends on how the interaction sites in the folded domains are represented. Specifically, we find excessive domain-domain interactions if the interaction sites are located at the position of the C α atoms. We also show that if the interaction sites are located at the centre of mass of the residue, we obtain good agreement between simulations and experiments across a wide range of proteins. We then optimize our previously described CALVADOS model using this centre-of-mass representation, and validate the resulting model using independent data. Finally, we use our revised model to simulate phase separation of both disordered and multi-domain proteins. Our results provide a starting point for understanding interactions between folded and disordered regions in proteins, and how these regions affect the propensity of proteins to self-associate and undergo phase separation.

Abstract The spike (S) protein of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is required for cell entry and is the major focus for vaccine development. We combine cryo electron tomography, subtomogram averaging and molecular dynamics simulations to structurally analyze S in situ . Compared to recombinant S, the viral S is more heavily glycosylated and occurs predominantly in a closed pre-fusion conformation. We show that the stalk domain of S contains three hinges that give the globular domain unexpected orientational freedom. We propose that the hinges allow S to scan the host cell surface, shielded from antibodies by an extensive glycan coat. The structure of native S contributes to our understanding of SARS-CoV-2 infection and the development of safe vaccines. The large scale tomography data set of SARS-CoV-2 used for this study is therefore sufficient to resolve structural features to below 5 Ångstrom, and is publicly available at EMPIAR-10453.

Maleless (MLE) is an evolutionary conserved member of the DExH family of helicases in Drosophila. Besides its function in RNA editing and presumably siRNA processing, MLE is best known for its role in remodelling non-coding roX RNA in the context of X chromosome dosage compensation in male flies. MLE and its human orthologue, DHX9 contain two tandem double-stranded RNA binding domains (dsRBDs) located at the N-terminal region. The two dsRBDs are essential for localization of MLE at the X-territory and it is presumed that this involves binding roX secondary structures. However, for dsRBD1 roX RNA binding has so far not been described. Here, we determined the solution NMR structure of dsRBD1 and dsRBD2 of MLE in tandem and investigated its role in double-stranded RNA (dsRNA) binding. Our NMR data show that both dsRBDs act as independent structural modules in solution and are canonical, non-sequence-specific dsRBDs featuring non-canonical KKxAK RNA binding motifs. NMR titrations combined with filter binding experiments document the contribution of dsRBD1 to dsRNA binding in vitro. Curiously, dsRBD1 mutants in which dsRNA binding in vitro is strongly compromised do not affect roX2 RNA binding and MLE localization in cells. These data suggest alternative functions for dsRBD1 in vivo.