ABSTRACT De novo design methods hold the promise of reducing the time and cost of antibody discovery, while enabling the facile and precise targeting of predetermined epitopes. Here we describe a fragment-based method for the combinatorial design of antibody binding loops and their grafting onto antibody scaffolds. We designed and tested six single-domain antibodies targeting different epitopes on three antigens, including the receptor-binding domain of the SARS-CoV-2 spike protein. Biophysical characterisation showed that all designs are highly stable, and bind their intended targets with affinities in the nanomolar range without any in vitro affinity maturation. We further discuss how a high-resolution input antigen structure is not required, as our method yields similar predictions when the input is a crystal structure or a computer-generated model. This computational procedure, which readily runs on a laptop, provides a starting point for the rapid generation of lead antibodies binding to pre-selected epitopes. summary A combinatorial method can rapidly design nanobodies for predetermined epitopes, which bind with KDs in the nanomolar range.

Abstract The SARS-CoV-2 pandemic that we are currently experiencing is exerting a massive toll both in human lives and economic impact. One of the challenges we must face is to try to understand if and how different variants of the virus emerge and change their frequency in time. Such information can be extremely valuable as it may indicate shifts in aggressiveness, and it could provide useful information to trace the spread of the virus in the population. In this work we identified and traced over time 7 amino acid variants that are present with high frequency in Italy and Europe, but that were absent or present at very low frequencies during the first stages of the epidemic in China and the initial reports in Europe. The analysis of these variants helps defining 6 phylogenetic clades that are currently spreading throughout the world with changes in frequency that are sometimes very fast and dramatic. In the absence of conclusive data at the time of writing, we discuss whether the spread of the variants may be due to a prominent founder effect or if it indicates an adaptive advantage.

Abstract Systemic AA-amyloidosis is a protein-misfolding disease that is characterized by fibril deposition of serum amyloid-A protein (SAA) in several organs in humans and many animal species. Fibril deposits originate from abnormally high serum levels of SAA during chronic inflammation. In domestic short-hair cats, AA-amyloidosis has only been anecdotally reported and is considered a rare disease. Here we report that an astonishing 57-73% of early deceased short-hair cats kept in three independent shelters suffer from amyloid deposition in the liver, spleen, or kidney. Histopathology and mass spectrometry of post-mortem extracted deposits identified SAA as the major protein source. The duration of stay in the shelters was positively associated with a histological score of AA-amyloidosis (B=0.026, CI95%=0.007-0.046; p=0.010). Presence of SAA fragments in bile secretions raises the possibility of fecal-oral transmission of the disease.

Summary So far it is thanks to antibiotics that illnesses, such as Tuberculosis (TB), are treatable. However, antimicrobial misuse combined with Mycobacterium tuberculosis phenotypic plasticity are nullifying the effects of the existing therapies. As a result, increasingly people are dying (one person dies of TB every 20 seconds), especially due to the rise of multi-and extensively drug-resistant strains. There is indeed a urgent need for new and more effective therapies, which should match the requirement of avoiding the rise in drug resistance. Among them, the use of bacteriophage – bacteria-restricted viruses – or simply phage lytic enzyme ( i.e., endolysin) represents one of the most promising alternatives. All phages encode for the endolysin A (LysA), which degrades the bacteria cell wall, finally leading to the release of the newly synthesized virions. Nevertheless, mycobacteriophages (bacterial viruses selectively infecting mycobacteria), evolved the additional endolysin B (LysB) to selectively damage the complex mycobacteria cell wall, and to evade from their host. LysB, owing a lipolytic enzyme, can degrade the thick mycolic acid layer, and hence disrupt the integrity of the mycobacterial membrane. Despite its key role in mediating mycobacteria lysis, the molecular mechanism regulating LysB binding to its target remains poorly characterized. Herein, we selected Ms6LysB and created a fluorescent engineered version as a proxy to analyze LysB binding qualitatively and quantitatively to both the fast-growing non-pathogenic Mycobacterium smegmatis and the slow-growing pathogenic M. tuberculosis. Additionally, we shed light on LysB antimicrobial activity upon M. tuberculosis infection, by using alveolar-like mouse macrophages (mAMs) as a cellular model that closely recapitulates the natural niche of M. tuberculosis infection. Our study provides the proof-of-principle that Ms6 LysB binding to the outer mycobacterial membrane can impair M. tuberculosis growth homeostasis and that LysB retain its lytic properties even when internalized by mAMs. This lays the groundwork for the use of LysB as a new therapeutic strategy to undermine M. tuberculosis infection.

Abstract Protein aggregation into amyloid fibrils is the archetype of aberrant biomolecular self-assembly processes, with more than 50 diseases associated that are mostly uncurable. Understanding aggregation mechanisms is thus of fundamental importance and goes in parallel with the characterization of the structures of the transient oligomers formed in the process. Oligomers have been proven elusive to high-resolution structural techniques, while the large sizes and long-time scales typical of aggregation processes have limited, so far, the use of computational methods. To surmount these limitations, we introduce here multi- e GO, an atomistic, hybrid structure-based model, which leveraging on the knowledge of monomers conformational dynamics and of fibril structures, can efficiently capture the essential structural and kinetics aspects of protein aggregation. Multi- e GO molecular dynamics simulations can describe the aggregation kinetics of thousands of monomers. The concentration dependence of the simulated kinetics, as well as the structural features of the resulting fibrils, are in qualitative agreement with in vitro experiments on an amyloidogenic peptide of Transthyretin, a protein responsible for one of the most common cardiac amyloidosis. Multi- e GO simulations allow to observe in time and at atomic resolution the formation of primary nuclei in a sea of transient lower order oligomers, to follow their growth and the subsequent secondary nucleation events, till the maturation of multiple fibrils. Multi- e GO, combined with the many experimental techniques deployed to study protein aggregation, can provide the structural basis needed to advance the design of molecules targeting amyloidogenic diseases. Significance Statement Alzheimer’s and Parkinson’s diseases are uncurable pathologies associated to the aberrant aggregation of specific proteins into amyloid fibrils. Understanding the mechanism leading to protein aggregation, by characterizing the structures of the oligomeric species populated in the process, would have a tremendous impact on the design of therapeutic molecules. We propose that a structure-based approach to molecular dynamics simulations can allow following at high resolution the aggregation kinetics of thousands of monomers. Having shown that simulations can describe the aggregation of a Transthyretin amyloidogenic peptide, we demonstrate how their efficiency allows acquiring a wealth of structural information. We foresee that integrating the latter with the many techniques developed to study protein aggregation will support the design of molecules to modulate amyloidogenesis.

Systemic light chain (LC) amyloidosis (AL) is a disease where organs are damaged by an overload of a misfolded patient-specific antibody-derived LC, secreted by an abnormal B cell clone. The high LC concentration in the blood leads to amyloid deposition at organ sites. Indeed, cryogenic electron microscopy (cryo-EM) has revealed unique amyloid folds for heart-derived fibrils taken from different patients. Here, we present the cryo-EM structure of heart-derived AL amyloid (AL59) from another patient with severe cardiac involvement. The double-layered structure displays a u-shaped core that is closed by a β-arc lid and extended by a straight tail. Noteworthy, the fibril harbours an extended constant domain fragment, thus ruling out the variable domain as sole amyloid building block. Surprisingly, the fibrils were abundantly concatenated with a proteinaceous polymer, here identified as collagen VI (COLVI) by immuno-electron microscopy (IEM) and mass-spectrometry. Cryogenic electron tomography (cryo-ET) showed how COLVI wraps around the amyloid forming a helical superstructure, likely stabilizing and protecting the fibrils from clearance. Thus, here we report structural evidence of interactions between amyloid and collagen, potentially signifying a distinct pathophysiological mechanism of amyloid deposits. Here the authors report the cryo-EM structure of heart-derived fibrils of an AL amyloidosis patient. Surprisingly, the fibrils form helical superstructures with collagen VI, potentially signifying a distinct pathophysiological mechanism for amyloidoses.

Abstract Immunoglobulin light chain amyloidosis (AL) shares with multiple myeloma (MM) the overproduction of one clonal light chain (LC), but whereas in MM patients LC molecules remain soluble in circulation, AL LCs misfold into toxic soluble species and amyloid fibrils that accumulate in internal organs, leading to completely different clinical manifestations. The large sequence variability of LCs has hampered our understanding of the mechanism leading to LC aggregation. Nevertheless, some biochemical properties associated with AL-LC are emerging. The stability of the dimeric LCs seems to play a role, but conformational dynamics and susceptibility to proteolysis have been identified as biophysical parameters that, under native conditions, can better distinguish AL-LCs from LCs found in MM. In this study, our goal was to delineate a conformational fingerprint that could discriminate AL from MM LCs. By subjecting four AL and two MM LCs to in vitro analysis under native conditions using small-angle X-ray scattering (SAXS), we observed that the AL LCs exhibited a slightly larger radius of gyration and greater deviation from the experimentally determined structure, indicating enhanced conformational dynamics. Integrating SAXS with molecular dynamics (MD) simulations to generate a conformational ensemble revealed that LCs can adopt multiple states, with VL and CL domains either bent or straight. AL-LCs favored a distinct state in which both domains were in a straight conformation, maximizing solvent accessibility at their relative interfaces. This unique conformation was experimentally validated by hydrogen-deuterium exchange mass spectrometry (HDX-MS). Such findings reconcile a wealth of experimental observations and provide a precise structural target for drug design investigations. Significance Statement The high sequence variability of antibody light chains complicates the understanding of the molecular determinants of their aggregation in AL patients. Extensive biophysical and structural analyses by our group and others have demonstrated that reduced kinetic and thermodynamic stability associated with higher conformational dynamics play a role in their amyloidogenic behavior, but specific structural elements contributing to these behaviors remain elusive. In addition, these features are not universal among all known LCs, fostering different interpretations of their aggregation mechanisms. By combining molecular dynamics simulations, small-angle X-ray scattering measurements, and hydrogen-deuterium mass exchange spectrometry, we found that enhanced conformational dynamics localized at CL-VL interface residues, coupled with structural expansion, are distinguishing features of amyloidogenic LCs.

ABSTRACT AA amyloidosis is a systemic disease characterized by deposition of misfolded serum amyloid A protein (SAA) into cross-β amyloid in multiple organs in humans and animals. AA amyloidosis occurs at high SAA serum levels during chronic inflammation. The disease can be transmitted horizontally, likely facilitated by prion-like mechanism, in captive animals leading to extreme disease prevalence, e.g. 70% in captive cheetah and 57-73% in domestic short hair (DSH) cats kept in shelters. Herein, we present the 3.3 Å cryo-EM structure of an AA amyloid extracted post-mortem from the kidney of a DSH cat with renal failure. The structure reveals a cross-β architecture assembled from two 76-residue long proto-filaments. Despite >70% sequence homology to mouse and human SAA, the cat SAA variant adopts a distinct amyloid fold. Based on shared disease profiles and almost identical protein sequences, we propose a similar amyloid fold of deposits identified previously in captive cheetah.

ABSTRACT hnRNPDL is a ribonucleoprotein (RNP) involved in transcription and RNA-processing, with missense mutations causing limb-girdle muscular dystrophy-3 (LGMDD3). Mammalian-specific alternative splicing (AS) renders three natural isoforms, hnRNPDL-2 being predominant in humans. We present the cryo-electron microscopy structure of full-length hnRNPDL-2 amyloid fibrils, which are stable, non-toxic, and bind nucleic acids, with the RNA binding domains building a solenoidal coat around them. The amyloid core consists of a single Gly/Tyr-rich and highly hydrophilic filament containing internal water channels. The architecture and activity of hnRNPDL-2 fibrils are reminiscent of functional amyloids, our results suggesting that LGMDD3 might be a loss-of-function disease associated with impaired fibrillation. Strikingly, the fibril core matches exon 6, absent in the soluble hnRNPDL-3 isoform. This provides structural evidence for AS controlling hnRNPDL assembly by precisely including/skipping an amyloid exon, a mechanism that holds the potential to generate functional diversity in RNPs.

Abstract Chemokines engage in heterodimeric interactions to activate or dampen their cognate receptors in inflammatory conditions. The chemokine CXCL12 forms with the alarmin HMGB1 a patho-physiologically relevant heterocomplex (HMGB1●CXCL12), whose formation synergically promotes the inflammatory response elicited by the G-protein coupled receptor CXCR4. However, the molecular details of complex formation were still elusive. Through an integrative structural approach (NMR, AUC, ITC, MST, SAXS) we show that HMGB1●CXCL12 represents the first fuzzy chemokines heterocomplex reported so far. HMGB1 and CXCL12 form a dynamic equimolar assembly, rather than involving one HMGB1 and two CXCL12 molecules as previously assumed, with structured and unstructured HMGB1 regions recognizing the dimerization surface of CXCL12. We uncover an unexpected role of the acidic intrinsically disordered region (IDR) in heterocomplex formation and provide the first evidence that the acidic IDR facilitates the ternary HMGB1•CXCL12•CXCR4 interaction on the cell surface. Thus, the interaction of HMGB1 with CXCL12 diverges radically from the classical rigid heterophilic chemokine-chemokine dimerization. Simultaneous interference with the multiple interactions within HMGB1●CXCL12 complex formation might offer novel pharmacological strategies to inhibit its detrimental activity in inflammatory conditions.