The oxidation of water to dioxygen is catalyzed within photosystem II (PSII) by a Mn(4)Ca cluster, the structure of which remains elusive. Polarized extended x-ray absorption fine structure (EXAFS) measurements on PSII single crystals constrain the Mn(4)Ca cluster geometry to a set of three similar high-resolution structures. Combining polarized EXAFS and x-ray diffraction data, the cluster was placed within PSII, taking into account the overall trend of the electron density of the metal site and the putative ligands. The structure of the cluster from the present study is unlike either the 3.0 or 3.5 angstrom-resolution x-ray structures or other previously proposed models.

X-ray absorption spectroscopy was used to measure the damage caused by exposure to x-rays to the Mn(4)Ca active site in single crystals of photosystem II as a function of dose and energy of x-rays, temperature, and time. These studies reveal that the conditions used for structure determination by x-ray crystallography cause serious damage specifically to the metal-site structure. The x-ray absorption spectra show that the structure changes from one that is characteristic of a high-valent Mn(4)(III(2),IV(2)) oxo-bridged Mn(4)Ca cluster to that of Mn(II) in aqueous solution. This damage to the metal site occurs at a dose that is more than one order of magnitude lower than the dose that results in loss of diffractivity and is commonly considered safe for protein crystallography. These results establish quantitative x-ray dose parameters that are applicable to redox-active metalloproteins. This case study shows that a careful evaluation of the structural intactness of the active site(s) by spectroscopic techniques can validate structures derived from crystallography and that it can be a valuable complementary method before structure-function correlations of metalloproteins can be made on the basis of high-resolution x-ray crystal structures.

Abstract Antibiotic resistance is a continuously increasing concern for public health care. Understanding resistance mechanisms and their emergence is crucial for the development of new antibiotics and their effective use. Here, we report the discovery of a gene amplification-based mechanism that imparts an up to 1000-fold increase in resistance levels against the antibiotic albicidin. We show that this mechanism protects Salmonella Typhimurium and Escherichia coli by increasing the copy number of the GyrI-like transcription regulator STM3175 (YgiV) which binds albicidin. X-ray crystallography and molecular docking studies reveal a conserved binding motif that can interact with aromatic building blocks of albicidin. Phylogenetic studies suggest that this resistance mechanism is ubiquitous in Gram-negative bacteria and our experiments confirm that STM3175 homologs can convey resistance in pathogens such as Vibrio vulnificus and Pseudomonas aeruginosa .

ABSTRACT Enzyme catalysis has emerged as a key technology for developing efficient, sustainable processes in the chemical, biotechnological and pharmaceutical industries. Plants provide large and diverse pools of biosynthetic enzymes that facilitate complex reactions, such as the formation of intricate terpene carbon skeletons, with exquisite specificity. High-resolution structural analysis of these enzymes is crucial to understand their mechanisms and modulate their properties by targeted engineering. Although cryo-electron microscopy (cryo-EM) has revolutionized structural biology, its applicability to high-resolution structure analysis of comparatively small enzymes is so far largely unexplored. Here, we show that cryo-EM can reveal the structures of ~120 kDa plant borneol dehydrogenases at or below 2 Å resolution, paving the way for the fast development of new biocatalysts that provide access to bioactive terpenes and terpenoids.

Abstract Paenibacillus larvae , the causative agent of the devastating honey-bee disease American Foulbrood, produces the cationic polyketide-peptide hybrid paenilamicin that displays high antibacterial and antifungal activity. Its biosynthetic gene cluster contains a gene coding for the N -acetyltransferase PamZ. We show that PamZ acts as self-resistance factor in P. larvae by deactivation of paenilamicin. Using tandem MS, NMR spectroscopy and synthetic diastereomers, we identified the N-terminal amino group of the agmatinamic acid as the N -acetylation site. These findings highlight the pharmacophore region of paenilamicin, which we very recently identified as a new ribosome inhibitor. Here, we further elucidated the crystal structure of PamZ:acetyl-CoA complex at 1.34 Å resolution. An unusual tandem-domain architecture provides a well-defined substrate-binding groove decorated with negatively-charged residues to specifically attract the cationic paenilamicin. Our results will help to understand the mode of action of paenilamicin and its role in pathogenicity of P. larvae to fight American Foulbrood.

Abstract Structural diversity of diterpenes is mediated by the enigmatic family of diterpene synthases. The overall enzymatic contribution hereby lies in a carefully concerted chemistry of highly reactive carbocation intermediates mainly guided by aromatic and polar amino acid side chains and the pyrophosphate cofactor. To date several studies aimed to shed light on the mechanism underlining terpene synthases chemistry. Specifically, the diterpene synthase CotB2 serves as model enzyme for detailed mutagenesis studies. Here we investigate the catalytic mechanism of CotB2 variant V80L in a holistic, biochemical, structural, and computational biology approach. We were able to identify an altered product profile compared to CotB2 WT for the substrates geranylgeranyl diphosphate and farnesyl diphosphate. Moreover, we solved the crystal structure, and shed further light on terpene synthase chemistry by modelling of the substrate and intermediate binding.

Abstract Many bacteriophages modulate the host transcription machinery for efficient expression of their own genomes. Phage P4 polarity suppression protein, Psu, is a building block of the viral capsid and inhibits the hexameric transcription termination factor, ρ, by presently unknown mechanisms. We elucidated cryogenic electron microscopy structures of ρ-Psu complexes, showing that Psu dimers laterally clamp two inactive, open ρ rings and promote their expansion to higher-oligomeric states. Systematic ATPase, nucleotide binding and nucleic acid binding studies revealed that Psu hinders ρ ring closure and traps nucleotides in their binding pockets on ρ. Structure-guided mutagenesis in combination with growth, pull-down and termination assays further delineated the functional ρ-Psu interfaces. Bioinformatic analyses suggested that, in addition to guarding its own genome against ρ, Psu enables expression of diverse phage-defense systems commonly found in P4-like mobile genetic elements across bacteria. Thus, Psu is a widespread gene regulator that inhibits ρ via forced hyper-oligomerization.

Abstract Cell entry of most alphaherpesviruses is mediated by the binding of glycoprotein D (gD) to different cell surface receptors. Equine herpesvirus type 1 (EHV-1) and EHV-4 gDs interact with equine major histocompatibility complex I (MHC-I) to initiate entry into equine cells. We have characterized the gD-MHC-I interaction by solving the crystal structures of EHV-1 and EHV-4 gDs (gD1, gD4), performing protein-protein docking simulations, surface plasmon resonance (SPR) analysis, and biological assays. The structures of gD1 and gD4 revealed the existence of a common V-set immunoglobulin-like (IgV-like) core comparable to those of other gD homologs. Molecular modeling yielded plausible binding hypotheses and identified key residues (F213 and D261) that are important for virus binding. Altering the key residues resulted in impaired virus growth in cells, which highlights the important role of these residues in the gD-MHC-I interaction. Taken together, our results add to our understanding of the initial herpesvirus-cell interactions and will contribute to the targeted design of antiviral drugs and vaccine development. Author summary Equine herpesvirus type 1 (EHV-1) and type 4 (EHV-4) are endemic in horses and cause great suffering as well as substantial economic losses to the equine industry. Current vaccines do not prevent infections and treatment is difficult. A prerequisite for vaccine and drug development is an in-depth understanding of the virus replication cycle, especially the virus entry process in order to block the infection at early stages. Entry of alphaherpesviruses into the host cell is mediated by a set of virus envelope glycoproteins including glycoprotein D (gD) that triggers the internalization of the virus particle. The structure of gD and the interaction with the entry receptor equine major histocompatibility complex class I (MHC-I) remains elusive. Here, we solved the crystal structures of gD1 and gD4 that allowed us to model virus-receptor interaction and to determine the key residues for virus entry. Alterations of these key residues impaired virus growth in cell culture. The overall structure of gD1 and gD4 shows classical features of other alphaherpesvirus gDs making it possible to gain further insights into human pathogens as well.