Abstract The protein structures and interactions that maintain and regulate cellular processes in different subcellular organelles are heterogeneous and dynamic. However, it remains challenging to characterize the subcellular specificity and translocation of protein complexes in terms of conformation and interactions. Herein, we developed a spatially resolved protein complex profiling approach by biocompatible chemical cross-linking in living cells (SPACX) to monitor the dynamics of protein conformation, interactions and translocation. The advancement of fast capturing protein complexes in the physiological state, coupled with efficient enrichment of the cross-linked peptides, ensured deep-coverage analysis of the protein interactome in living cells. By ensemble structure refinement with cross-linking restraints, subcellular-specific conformation heterogeneity was identified for PTEN. PTEN displayed a broader range of dynamic conformation changes on the dual specificity domains in the nucleus than in the cytoplasm. Moreover, based on conformational differences, different interacting assemblies involving 25 cytoplasm-exclusively and 18 nucleus-exclusively PTEN-interacting proteins were found to account for diverse biological functions. Upon ubiquitin-proteasome system (UPS) stress, the assembly of PTEN and its interacting partners changed obviously during translocation. We newly identified 36 PTEN-interacting proteins, which were found to be highly enriched in functional pathways closely related to cell apoptosis. Inspiringly, the interactions among PTEN isoforms and their interacting proteins were accessible by the determination of sequence-unique cross-linking interfaces for direct interactions. All these results indicate the promise of SPACX to elucidate the functional heterogeneity of proteins in individual subcellular sociology.

Insects detect and discriminate a diverse array of chemicals using odorant receptors (ORs), which are ligand-gated ion channels comprising a divergent odorant-sensing OR and a conserved odorant receptor co-receptor (Orco). In this work, we report structures of the Ap OR5-Orco heterocomplex from the pea aphid Acyrthosiphon pisum alone and bound to its known activating ligand, geranyl acetate. In these structures, three Ap Orco subunits serve as scaffold components that cannot bind the ligand and remain relatively unchanged. Upon ligand binding, the pore-forming helix S7b of Ap OR5 shifts outward from the central pore axis, causing an asymmetrical pore opening for ion influx. Our study provides insights into odorant recognition and channel gating of the OR-Orco heterocomplex and offers structural resources to support development of innovative insecticides and repellents for pest control.

Abstract Chemical crosslinking coupled with mass spectrometry (CXMS) has emerged as a powerfμl technique to capture the dynamic information of protein complexes with high sensitivity, throughput and sample universality. To advance the study of in-vivo protein structures and protein-protein interactions on the large scale, a new alkynyl-enrichable crosslinker was developed with high efficiency of membrane penetration, reactivity and enrichment. The crosslinker was successfully used for in-vivo crosslinking of intact human cells, resμlting in 6820 non-redundant crosslinks identified at a false discovery rate (FDR) of 1% using pLink 2.0, which 4898 (71.8%) of the cross-links were assigned as intraprotein and 1922 (28.2%) were interprotein links. To our knowledge, this is also the first time to realize the in-vivo crosslinking with a non-cleavable crosslinker for homo species cells.

Abstract RNA molecules with repeat expansion sequences can phase separate into gel-like condensate, and this process may lead to neurodegenerative diseases. Here we report that in the presence of Mg 2+ ion, RNA molecules containing 20×CAG repeats coacervate into filled droplets or hollowed condensate. Using hyperspectral stimulated Raman spectroscopy, we show that RNA coacervation is accompanied by the stacking and clustering of nucleobases, while forfeiting the canonical base-paired structure. At an increasing RNA/Mg 2+ ratio, the RNA droplets first expand in sizes, and then shrink and adopt hollow vesicle-like structures. Significantly, for both large and vesicle-like droplets, the nucleobase-clustered structure is more prominent at the rim than at the center, accounting for the rigidification of RNA droplets. Thus, our finding has broad implications for the general aging processes of RNA-containing membrane-less organelles.

A detailed molecular understanding of the G-protein coupled receptor (GPCR) activation mechanism is crucial for rational drug design. Despite the growing number of GPCR structures being resolved in the inactive and activated states, the detailed molecular mechanism of how receptors transits from the inactive towards the active one upon agonist binding remains to be further understood. Herein, we performed comprehensive atomic-level simulations of the M2 muscarinic receptor (M2R) to determine how ligand binding modulates the receptor conformational dynamics. The results reveal that aromatic residue dynamics are closely associated with receptor activation. Binding of antagonists or agonists differentially alters the interacting patterns of critical aromatic residues, stabilizing them into distinct conformations. In addition, we found that the change of interaction and dynamics of the W400 6.48 -F396 6.44 pair at the transmembrane core plays an essential role in the structural transition of M2R from the inactive state into an active-like state induced by binding of the supra-physiological agonist iperoxo. Moreover, we found that the sidechain dynamics of Y206 5.58 is important in modulating the conformation of the intracellular cavity. Our work highlights the role of protein conformational dynamics in M2R activation, and provides new insights for future drug designs.

Molecular chirality plays a crucial role in the fields of chemistry and biology. Various nuclear magnetic resonance (NMR) methods have been employed for assignment of stereochemical configurations. Alignment media for measurements of anisotropic parameters contribute to configuration elucidations, while chiral auxiliaries assist in enantiomer discrimination and chiral recognition. However, each method comes with limitations, and the assignment of absolute configuration by NMR remains challenging. In this study, we explored a combined approach for absolute configuration elucidation with the multifaceted application of the oligopeptide (FK)4, which possesses dual functionalities as an alignment medium for anisotropic NMR measurements and a chiral differentiating agent. As an alignment medium, (FK)4 facilitates the analysis of stereochemical features through residual dipolar couplings (RDC), aiding in the structural elucidation of stereoisomers. Moreover, (FK)4 exhibits unique chiral differentiating properties, interacting distinctly with enantiomers and resulting in observable bifurcation of chemical shift signals, in 13C, 1H and 19F spectra. Using isoleucine and xylose as model compounds, we demonstrate how the dual functionality of (FK)4 enables the identification of stereoisomeric structures via RDC parameters and the assignment of enantiomeric configurations through measurements of t2 relaxation time coupled with theoretical simulations. These findings high-light the potential of versatile chiral media as (FK)4 for approaching the elucidation of absolute configurations of organic molecules via combined NMR spectroscopy approaches, with implications for structural characterization and enantiomer discrimination in chemical applications.

The interaction between K48-linked ubiquitin (Ub) chain and Rpn13 is important for proteasomal degradation of ubiquitinated substrate proteins. Only the complex structure between the N-terminal domain of Rpn13 (Rpn13 NTD) and Ub monomer has been characterized, and it remains unclear how Rpn13 specifically recognizes K48-linked Ub chain. Using single-molecule FRET, here we show that K48-linked diubiquitin (K48-diUb) fluctuates among three distinct conformational states, and a preexisting compact state is selectively enriched by Rpn13 NTD. The same binding mode is observed for full-length Rpn13 and longer K48-linked Ub chain. Using solution NMR spectroscopy, we have solved the complex structure between Rpn13 NTD and K48-diUb. In the structure, Rpn13 NTD simultaneously interacts with proximal and distal Ub subunits of K48-diUb that remain associated in the complex, thus corroborating smFRET findings. The proximal Ub interacts with Rpn13 NTD similarly as the Ub monomer in the known Rpn13 NTD:Ub structure, while the distal Ub binds to a largely electrostatic surface of Rpn13 NTD. Thus, a charge reversal mutation in Rpn13 NTD can weaken the interaction between Rpn13 and K48-linked Ub chain, causing accumulation of ubiquitinated proteins. Moreover, blockage of the access of the distal Ub to Rpn13 NTD with a proximity attached Ub monomer can also disrupt the interaction between Rpn13 and K48-diUb. Together, the bivalent interaction of K48-linked Ub chain with Rpn13 provides the structural basis for Rpn13 linkage selectivity, which opens a new window for modulating proteasomal function.

Abstract Transient protein-protein interactions are fundamental aspects of many biochemical reactions, but they are technically challenging to study. Chemical cross-linking of proteins coupled with mass spectrometry (CXMS) analysis is a powerful tool to facilitate the analysis of transient interactions. Central to this technology are chemical cross-linkers. Here, using two transient heterodimeric complexes—EIN/HPr with a K D of 7 μM and EIIA Glc /EIIB Glc with a K D of 25 μM—as model systems, we compared the effects of two amine-specific homo-bifunctional cross-linkers of different cross-linking speeds. Protein cross-linking by DOPA2, a di- ortho -phthalaldehyde cross-linker, is 60-120 times faster than that by DSS, an N-hydroxysuccinimide ester cross-linker. We analyzed the differences in the number of cross-links identified that reflected the stereospecific complex (SC), the final lowest-energy conformational state, and that of cross-links that reflected the encounter complexes (ECs), an ensemble of short-lived intermediate conformations mediated by nonspecific electrostatic interactions. We found that the faster DOPA2 cross-linking favored the SC whereas the slower DSS cross-linking favored the ECs. We propose a mechanistic model for this intriguing observation. This study suggests that it is feasible to probe the dynamics of protein-protein interaction using cross-linkers of different cross-linking speeds.

Abstract Chemical cross-linking of proteins coupled with mass spectrometry analysis (CXMS) has become a widely used method for protein structure analysis. Central to this technology are chemical cross-linkers. The most popular cross-linkers are N-hydroxysuccinimide (NHS) esters, which react with protein amino groups relatively slowly over 10 minutes or more while in competition with the hydrolysis reaction of NHS esters. To improve the speed of cross-linking, we developed a new class of amine-selective and non-hydrolyzable d i- o rtho - p hthal a ldehyde (DOPA) cross-linkers. DOPA can cross-link proteins in 10 seconds under near physiological conditions, which is 60 times faster than the NHS ester cross-linker DSS. DOPA also works at low pH, low temperature, or in the presence of high concentrations of denaturants such as 8 M urea or 6 M guanidine hydrochloride. Further, DOPA-mediated pulse cross-linking captured the dynamic conformational changes associated with RNase A unfolding. Lastly, DOPA outperformed DSS at capturing weak but specific protein-protein interactions.