Abstract Nitroxyl (HNO) is a redox sibling of nitric oxide (NO) that targets distinct signalling pathways with pharmacological endpoints of high significance in the treatment of heart failure. Beneficial HNO effects depend, in part, on its ability to release calcitonin gene-related peptide (CGRP) through an unidentified mechanism. Here we propose that HNO is generated as a result of the reaction of the two gasotransmitters NO and H 2 S. We show that H 2 S and NO production colocalizes with transient receptor potential channel A1 (TRPA1), and that HNO activates the sensory chemoreceptor channel TRPA1 via formation of amino-terminal disulphide bonds, which results in sustained calcium influx. As a consequence, CGRP is released, which induces local and systemic vasodilation. H 2 S-evoked vasodilatatory effects largely depend on NO production and activation of HNO–TRPA1–CGRP pathway. We propose that this neuroendocrine HNO–TRPA1–CGRP signalling pathway constitutes an essential element for the control of vascular tone throughout the cardiovascular system.

Abstract Energetic local frustration offers a biophysical perspective to interpret the effects of sequence variability on protein families. Here we present a methodology to analyze local frustration patterns within protein families that allows us to uncover constraints related to stability and function, and identify differential frustration patterns in families with a common ancestry. We have analyzed these signals in very well studied cases such as PDZ, SH3, α and β globins and RAS families. Recent advances in protein structure prediction make it possible to analyze a vast majority of the protein space. An automatic and unsupervised proteome-wide analysis on the SARS-CoV-2 virus demonstrates the potential of our approach to enhance our understanding of the natural phenotypic diversity of protein families beyond single protein instances. We have applied our method to modify biophysical properties of natural proteins based on their family properties, as well as perform unsupervised analysis of large datasets to shed light on the physicochemical signatures of poorly characterized proteins such as emergent pathogens.

The Endoplasmic Reticulum (ER) glycoprotein folding Quality Control (ERQC) machinery aids folding of glycoproteins in the ER. Misfolded glycoprotein recognition and ER-retention is mediated by the ERQC checkpoint enzyme, the 170 kDa UDP-Glucose glycoprotein glucosyltransferase (UGGT). UGGT modulation is a promising strategy for broad-spectrum antivirals, rescue-of-secretion therapy in rare disease caused by responsive mutations in glycoprotein genes, and many cancers, but to date no selective UGGT inhibitors are known. Towards the generation of selective UGGT inhibitors, we determined the crystal structures of the catalytic domain of Chaetomium thermophilum UGGT ( Ct UGGT GT24 ), alone and in complex with the inhibitor UDP-2-deoxy-2-fluoro-D-glucose (U2F). Using the Ct UGGT GT24 crystals, we carried out a fragment-based lead discovery screen via X-ray crystallography and discovered that the small molecule 5-[(morpholin-4-yl)methyl]quinolin-8-ol (5M-8OH-Q) binds a Ct UGGT GT24 ‘WY’ conserved surface motif that is not present in other GT24 family glycosyltransferases. The 5M-8OH-Q molecule has a 613 µ M binding affinity for human UGGT1 in vitro as measured by saturation transfer difference NMR spectroscopy. The 5M-8OH-Q molecule inhibits both human UGGT1and UGGT2 activity at concentrations higher than 750 µ M in modified HEK293-6E cells. The compound is toxic in cellula and in planta at concentrations higher than 1 mM. A few off-target effects are also observed upon 5M-8OH-Q treatment. Based on an in silico model of the interaction between UGGT and its substrate N -glycan, the 5M-8OH-Q molecule likely works as a competitive inhibitor, binding to the site of recognition of the first GlcNAc residue of the substrate N -glycan. Significance Statement When a candidate drug target is the product of a housekeeping gene - i.e. it is important for the normal functioning of the healthy cell – availability of inhibitors for tests and assays is of paramount importance. One such housekeeping protein is UGGT, the enzyme that makes sure that only correctly folded glycoproteins can leave the endoplasmic reticulum for further trafficking through the secretory pathway. UGGT is a potential drug target against viruses, in certain instances of congenital rare disease, and against some cancers, but no UGGT inhibitors are known yet. We discovered and describe here a small molecule that binds human UGGT1 in vitro and inhibits both isoforms of human UGGT in cellula . The compound paves the way to testing of UGGT inhibition as a potential pharmacological strategy in a number of medical contexts.

Abstract Background Congenital hypopituitarism (CH) and its associated syndromes, septo-optic dysplasia (SOD) and holoprosencephaly (HPE), are midline defects that cause significant morbidity for affected people. Variants in 67 genes are associated with CH, but a vast majority of CH cases lack a genetic diagnosis. Whole exome and whole genome sequencing of CH patients identifies sequence variants in genes known to cause CH, and in new candidate genes, but many of these are variants of uncertain significance (VUS). Methods The International Mouse Phenotyping Consortium (IMPC) is an effort to establish gene function by knocking-out all genes in the mouse genome and generating corresponding phenotype data. We used mouse embryonic imaging data generated by the Deciphering Mechanisms of Developmental Disorders (DMDD) project to screen 209 embryonic lethal and sub-viable knockout mouse lines for pituitary malformations. Results Of the 209 knockout mouse lines, we identified 51 that have embryonic pituitary malformations. These genes not only represent new candidates for CH, but also reveal new molecular pathways not previously associated with pituitary organogenesis. We used this list of candidate genes to mine whole exome sequencing data of a cohort of patients with CH, and we identified variants in two unrelated cases for two genes, MORC2 and SETD5 , with CH and other syndromic features. Conclusions The screening and analysis of IMPC phenotyping data provide proof-of-principle that recessive lethal mouse mutants generated by the knockout mouse project are an excellent source of candidate genes for congenital hypopituitarism in children.

Cellular signaling systems transmit information over long distances using allosteric transitions and/or post-translational modifications. In two-component systems the sensor histidine kinase and response regulator are wired through phosphoryl-transfer reactions, using either a uni- or bi-directional transmission mode, allowing to build rich regulatory networks. Using the thermosensor DesK-DesR two-component system from Bacillus subtilis and combining crystal structures, QM/MM calculations and integrative kinetic modeling, we uncover that: i) longer or shorter distances between the phosphoryl-acceptor and -donor residues can shift the phosphoryl-transfer equilibrium; ii) the phosphorylation-dependent dimerization of the regulator acts as a sequestering mechanism by preventing the interaction with the histidine kinase; and iii) the kinase's intrinsic conformational equilibrium makes the phosphotransferase state unlikely in the absence of histidine phosphorylation, minimizing backwards transmission. These mechanisms allow the system to control the direction of signal transmission in a very efficient way, showcasing the key role that structure-encoded allostery plays in signaling proteins to store and transmit information.

Abstract Recent developments have broadened our perception of SARS-CoV-2, indicating its capability to affect the body systemically beyond its initial recognition as a mere respiratory pathogen. However, the pathways of its widespread are not well understood. Employing a dual-modality approach, we integrated findings from a Murine Hepatitis Virus (MHV) infection model with corroborative clinical data to investigate the pervasive reach of Coronaviruses. The novel presence of viral particles within red blood cells (RBCs) was demonstrated via high-resolution transmission electron microscopy, with computational modeling elucidating a potential heme-mediated viral entry mechanism via Spike protein affinity. Our data affirm viral localization in RBCs, suggesting heme moieties as facilitators for cellular invasion. Exacerbation of MHV pathology upon hemin administration, contrasted with chloroquine-mediated amelioration, underscoring a heme-centric pathway in disease progression. These observations extend the paradigm of Coronavirus pathogenicity to include hemoprotein interactions. This study casts new light on the systemic invasion capabilities of Coronaviruses, linking RBC hemoproteins with viral virulence. The modulation of disease severity through heme-interacting agents heralds a promising avenue for COVID-19 therapeutics. Our findings propose a paradigm shift in the treatment approach, leveraging the virus-heme interplay as a strategic hinge for intervention.

Abstract Transition-state theory has provided the theoretical framework to explain the enormous rate accelerations of chemical reactions by enzymes. Given that proteins display large ensembles of conformations, unique transition states would pose a huge entropic bottleneck for enzyme catalysis. To shed light on this question, we studied the nature of the enzymatic transition state for the phosphoryl-transfer step in adenylate kinase by quantum-mechanics/molecular-mechanics calculations. We find a structurally wide set of energetically equivalent configurations that lie along the reaction coordinate and hence a broad transition-state ensemble (TSE). A conformationally delocalized ensemble, including asymmetric transition states, is rooted in the macroscopic nature of the enzyme. The computational results are buttressed by enzyme kinetics experiments that confirm the decrease of the entropy of activation predicted from such wide TSE. Transition-state ensembles as a key for efficient enzyme catalysis further boosts a unifying concept for protein folding and conformational transitions underlying protein function.

Abstract Mycobacterium tuberculosis ( Mtb ) senses and responds to host-derived gasotransmitters NO and CO via heme-containing sensor kinases DosS and DosT and the response regulator DosR. Hydrogen sulfide (H 2 S) is an important signaling molecule in mammals, but its role in Mtb physiology is unclear. We have previously shown that exogenous H 2 S can modulate expression of genes in the Dos dormancy regulon via an unknown mechanism(s). Here, we tested the hypothesis that Mtb senses and responds to H 2 S via the DosS/T/R system. Using UV-Vis and EPR spectroscopy, we show that H 2 S binds directly to the ferric (Fe 3+ ) heme of DosS (K D = 5.64 µM) but not the ferrous (Fe 2+ ) form. No interaction with DosT was detected. Thus, the mechanism by which DosS senses H 2 S is different from that for sensing NO and CO, which bind only the ferrous forms of DosS and DosT. Steered Molecular Dynamics simulations show that H 2 S, and not the charged HS - species, can enter the DosS heme pocket. We also show that H 2 S increases DosS autokinase activity and subsequent phosphorylation of DosR, and H 2 S-mediated increases in Dos regulon gene expression is lost in Mtb lacking DosS. Finally, we demonstrate that physiological levels of H 2 S in macrophages can induce Dos regulon genes via DosS. Overall, these data reveal a novel mechanism whereby Mtb senses and responds to a third host gasotransmitter, H 2 S, via DosS-Fe3 + . These findings highlight the remarkable plasticity of DosS and establish a new paradigm for how bacteria can sense multiple gasotransmitters through a single heme sensor kinase. Significance Statement Hydrogen sulfide (H 2 S) is an important signaling molecule in eukaryotes and bacteria, and along with CO and NO, is an important part of host defense against Mycobacterium tuberculosis ( Mtb ). However, the mechanism(s) by which Mtb senses and responds to H 2 S is unknown. Here, we report that the Mtb heme sensor kinase DosS, a known sensor of CO and NO, is also a sensor of H 2 S. We found that H 2 S binds DosS in its ferric (Fe 3+ ) state, which is considered as its inactive state, to induce the Dos dormancy regulon during infection. These data highlight the unusual capacity of Mtb to sense multiple gasotransmitters through a single sensing protein.