Abstract Pendrin SLC26A4 is an anion exchanger expressed in apical membranes of selected epithelia. Pendrin ablation causes Pendred syndrome, a genetic disorder disease associated with sensorineural hearing loss, hypothyroid goiter, and reduced blood pressure. However, its molecular structure has remained unknown limiting our understanding. Here, we determined the structures of mouse pendrin with symmetric and characteristically asymmetric homodimer conformations by cryo-electron microscopy. The asymmetric homodimer consists of an inward-facing protomer and an intermediate-state protomer, representing the coincident uptake and secretion process, and exhibits the unique state of pendrin as an electroneutral exchanger. This previously unrevealed conformation, together with other conformations we captured, provides an inverted alternate-access mechanism for anion exchange. Furthermore, our structural and functional data disclosed the properties of anion exchange cleft and interpreted the important pathogenetic mutations. These investigations shed light on the pendrin exchange mechanism and extend our structure-guided understanding of pathogenetic mutations. One-Sentence Summary Cryo-EM asymmetric Pendrin homodimer cracks its exchange mechanism and guides our understanding for pathogenetic mutations.

Summary The gut microbiome possesses numerous biochemical enzymes that biosynthesize metabolites that impact human health. Bile acids comprise a diverse collection of metabolites that have important roles in metabolism and immunity. The gut microbiota-associated enzyme that is responsible for the gateway reaction in bile acid metabolism is bile salt hydrolase (BSH), which controls the host’s overall bile acid pool. Despite the critical role of these enzymes, the ability to profile their activities and substrate preferences remains challenging due to the complexity of the gut microbiota, whose metaproteome includes an immense diversity of protein classes. Using a systems biochemistry approach employing activity-based probes, we have identified gut microbiota-associated BSHs that exhibit distinct substrate preferences, revealing that different microbes contribute to the diversity of the host bile acid pool. We envision that this chemoproteomic approach will reveal how secondary bile acid metabolism controlled by BSHs contributes to the etiology of various inflammatory diseases.