Summary Bacteria have evolved multiple defense systems, including CRISPR-Cas, to cleave the DNA of phage and mobile genetic elements (MGE). In turn, phage have evolved anti-CRISPR (Acr) proteins that use novel and co-opted mechanisms to block DNA binding or cleavage. Here, we report that an anti-CRISPR (AcrVA2) unexpectedly inhibits Cas12a biogenesis by triggering translation-dependent destruction of its mRNA. AcrVA2 specifically clears the mRNA of Cas12a by recognizing and binding its N-terminal polypeptide. Mutating conserved N-terminal amino acids in Cas12a prevents binding and inhibition by AcrVA2 but also decreases Cas12a anti-phage activity. This mechanism therefore enables AcrVA2 to specifically inhibit divergent Cas12a orthologs while constraining its ability to escape inhibition. AcrVA2 homologs are found on diverse MGEs across numerous bacterial classes, typically in the absence of Cas12a, suggesting that this protein family may induce similar molecular outcomes against other targets. These findings reveal a new gene regulatory strategy in bacteria and create opportunities for polypeptide-specific gene regulation in prokaryotes and beyond.

ABSTRACT Several metabolic enzymes undergo reversible polymerization into macromolecular assemblies. The function of these assemblies is often unclear but in some cases they regulate enzyme activity and metabolic homeostasis. The guanine nucleotide biosynthetic enzyme inosine monophosphate dehydrogenase (IMPDH) forms octamers that polymerize into helical chains. In mammalian cells, IMPDH filaments can associate into micron-length assemblies. Polymerization and enzyme activity are regulated in part by binding of purine nucleotides to an allosteric regulatory domain. ATP promotes octamer polymerization, whereas GTP promotes a compact, inactive conformation whose ability to polymerize is unknown. An open question is whether polymerization directly alters IMPDH catalytic activity. To address this, we identified point mutants of human IMPDH2 that either prevent or promote polymerization. Unexpectedly, we found that polymerized and non-assembled forms of IMPDH have comparable catalytic activity, substrate affinity, and GTP sensitivity and validated this finding in cells. Electron microscopy revealed that substrates and allosteric nucleotides shift the equilibrium between active and inactive conformations in both the octamer and the filament. Unlike other metabolic filaments, which selectively stabilize active or inactive conformations, IMPDH filaments accommodate multiple states. Thus, although polymerization alone does not impact catalytic activity, substrate availability and purine balance dramatically affect IMPDH filament architecture.

ABSTRACT IMP dehydrogenase (IMPDH), a key regulatory enzyme in purine nucleotide biosynthesis, dynamically assembles filaments in response to changes in metabolic demand. Humans have two isoforms: IMPDH2 filaments reduce sensitivity to feedback inhibition by the downstream product GTP, while IMPDH1 assembly remains uncharacterized. IMPDH1 plays a unique role in retinal metabolism, and point mutants cause blindness and disrupt GTP regulation. Here, in a series of cryo-EM structures we show that IMPDH1 assembles polymorphic filaments with different assembly interfaces in active and inhibited states. Retina-specific splice variants introduce structural elements that reduce sensitivity to GTP inhibition, including stabilization of the active filament form. Finally, we show that IMPDH1 disease mutations fall into two classes: one disrupts GTP regulation and the other has no in vitro phenotype. These findings provide a foundation for understanding the role of IMPDH1 in retinal function and disease and demonstrate the diverse mechanisms by which metabolic enzyme filaments are allosterically regulated.

Abstract Proteins that assemble into ordered two-dimensional arrays such as S-layers 1,2 and designed analogues 3–5 have intrigued bioengineers, 6,7 but with the exception of a single lattice formed through non-rigid template streptavidin linkers, 8 they are constituted from just one protein component. For modulating assembly dynamics and incorporating more complex functionality, materials composed of two components would have considerable advantages. 9–12 Here we describe a computational method to generate de-novo binary 2D non-covalent co-assemblies by designing rigid asymmetric interfaces between two distinct protein dihedral building-blocks. The designed array components are soluble at mM concentrations, but when combined at nM concentrations, rapidly assemble into nearly-crystalline micrometer-scale p6m arrays nearly identical to the computational design model in vitro and in cells without the need of a two-dimensional support. Because the material is designed from the ground up, the components can be readily functionalized, and their symmetry reconfigured, enabling formation of ligand arrays with distinguishable surfaces to drive extensive receptor clustering, downstream protein recruitment, and signaling. Using quantitative microscopy we show that arrays assembled on living cells have component stoichiometry and likely structure similar to arrays formed in vitro, suggesting that our material can impose order onto fundamentally disordered substrates like cell membranes. We find further that in sharp contrast to previously characterized cell surface receptor binding assemblies such as antibodies and nanocages, which are rapidly endocytosed, large arrays assembled at the cell surface suppress endocytosis in a tunable manner, with potential therapeutic relevance for extending receptor engagement and immune evasion. Our work paves the way towards synthetic cell biology, where a new generation of multi-protein macroscale materials is designed to modulate cell responses and reshape synthetic and living systems. One Sentence Summary Co-assembling binary 2D protein crystals enables robust formation of complex large scale ordered biologically active materials

Abstract Polymyxins are gram-negative antibiotics that target lipid A, the conserved membrane anchor of lipopolysaccharide in the outer membrane. Despite their clinical importance, the molecular mechanisms underpinning polymyxin activity remain unresolved. Here, we use surface plasmon resonance to kinetically interrogate interactions between polymyxins and lipid A and derive a phenomenological model. Our analyses suggest a lipid A-catalyzed, three-state mechanism for polymyxins: transient binding, membrane insertion, and super-stoichiometric cluster accumulation with a long residence time. Accumulation also occurs for brevicidine, another lipid A-targeting antibacterial molecule. Lipid A modifications that impart polymyxin resistance and a non-bactericidal polymyxin derivative exhibit binding that does not evolve into long-lived species. We propose that transient binding to lipid A permeabilizes the outer membrane and cluster accumulation enables the bactericidal activity of polymyxins. These findings could establish a blueprint for discovery of lipid A-targeting antibiotics and provide a generalizable approach to study interactions with the gram-negative outer membrane.

Abstract During their maturation, nascent 40S subunits enter a translation-like quality control cycle, where they are joined by mature 60S subunits to form 80S-like ribosomes. While these assembly intermediates are essential for maturation and quality control, how they form, and how their structure promotes quality control remains unknown. To address these questions, we determined the structure of an 80S-like ribosome assembly intermediate to an overall resolution of 3.4 Å. The structure, validated by biochemical data, resolves a large body of previously paradoxical data and illustrates how assembly and translation factors cooperate to promote the formation of an interface that lacks many mature subunit contacts but is stabilized by the universally conserved Dim1. We also show how Tsr1 enables this interface by blocking the canonical binding of eIF5B to 40S subunits, while maintaining its binding to 60S. The structure also shows how this interface leads to unfolding of the platform, which allows for temporal regulation of the ATPase Fap7, thus linking 40S maturation to quality-control during ribosome assembly.

Inosine monophosphate dehydrogenase (IMPDH) mediates the first committed step in guanine nucleotide biosynthesis and plays important roles in cellular proliferation and the immune response. The enzyme is heavily regulated to maintain balance between guanine and adenine nucleotide pools. IMPDH reversibly polymerizes in cells and tissues in response to changes in metabolic demand, providing an additional layer of regulatory control associated with increased flux through the guanine synthesis pathway. Here, we report a series of human IMPDH2 cryo-EM structures in active and inactive conformations, and show that the filament resists inhibition by guanine nucleotides. The structures define the mechanism of filament assembly, and reveal how assembly interactions tune the response to guanine inhibition. Filament-dependent allosteric regulation of IMPDH2 makes the enzyme less sensitive to feedback inhibition, explaining why assembly occurs under physiological conditions, like stem cell proliferation and T-cell activation, that require expansion of guanine nucleotide pools.

Viruses have been evolving host-modifying factors for billions of years. Genomes of bacterial and archaeal viruses are replete with fast-evolving, uncharacterized accessory genes (AGs), most of which likely antagonize host defenses or other viruses 1, 2 . Systematic investigation of AGs could uncover a multitude of biological mechanisms involved in virus-host competition, but AG identification in genomic databases remains a challenge. We developed an integrated computational and high-throughput discovery platform to identify AGs in virus genomes and assay their functions in complementary phage infection-dependent and -independent contexts. Our approach showcases how phages interact with the principal layers of antiviral immunity, including cell surface modifications, restriction systems, and abortive infection (Abi) mechanisms, which operate simultaneously in the same host. We discovered multiple Enterobacteriophage AGs associated with counter-defense functions that activate rather than inhibit antiviral immunity in cells, including the surprising finding that anti-restriction AGs elicit programmed cell death (PCD) activity of some restriction-modification (R-M) systems. We propose that counter-defense AGs that trigger PCD create a conundrum for phages whereby keeping the AGs causes PCD but losing them exposes the phage to restriction by bacteria. Strategies employed by viruses to avoid this double jeopardy could be an important factor in virus evolution that remains to be explored.

Abstract During their maturation, nascent 40S subunits enter a translation-like quality control cycle, where they are joined by mature 60S subunits to form 80S-like ribosomes. While these assembly intermediates are essential for maturation and quality control, how they form, and how their structure promotes maturation and quality control remains unknown. To address these questions, we solved the structure of an 80S-like ribosome assembly intermediate to an overall resolution of 3.4 A. The structure, validated by biochemical data herein, resolves a large body of previously paradoxical data and illustrates how assembly and translation factors cooperate to promote the formation of an interface that lacks many mature subunit contacts but is stabilized by the universally conserved Dim1. The structure also shows how this interface leads to unfolding of the platform, which allows for temporal regulation of the ATPase Fap7 and the nuclease Nob1, thus linking quality-control and 40S maturation during ribosome assembly.

ABSTRACT High-resolution structures of proteins are critical to understanding molecular mechanisms of biological processes and in the discovery of therapeutic molecules. Cryo-EM has revolutionized structure determination of large proteins and their complexes 1 , but a vast majority of proteins that underlie human diseases are small (< 50 kDa) and usually beyond its reach due to low signal-to-noise images and difficulties in particle alignment 2 . Current strategies to overcome this problem increase the overall size of small protein targets using scaffold proteins that bind to the target, but are limited by inherent flexibility and not being bound to their targets in a rigid manner, resulting in the target being poorly resolved compared to the scaffolds 3–11 . Here we present an iteratively engineered molecular design for transforming Fabs (antibody fragments), into conformationally rigid scaffolds (Rigid-Fabs) that, when bound to small proteins (∼20 kDa), can enable high-resolution structure determination using cryo-EM. This design introduces multiple disulfide bonds at strategic locations, generates a well-folded Fab constrained into a rigid conformation and can be applied to Fabs from various species, isotypes and chimeric Fabs. We present examples of the Rigid Fab design enabling high-resolution (2.3–2.5 Å) structures of small proteins, Ang2 (26 kDa) and KRAS (21 kDa) by cryo-EM. The strategies for designing disulfide constrained Rigid Fabs in our work thus establish a general approach to overcome the target size limitation of single particle cryo-EM.