Summary

 The L7/12 stalk of the large subunit of bacterial ribosomes encompasses protein L10 and multiple copies of L7/12. We present crystal structures of Thermotoga maritima L10 in complex with three L7/12 N-terminal-domain dimers, refine the structure of an archaeal L10E N-terminal domain on the 50S subunit, and identify these elements in cryo-electron-microscopic reconstructions of Escherichia coli ribosomes. The mobile C-terminal helix α8 of L10 carries three L7/12 dimers in T. maritima and two in E. coli, in concordance with the different length of helix α8 of L10 in these organisms. The stalk is organized into three elements (stalk base, L10 helix α8-L7/12 N-terminal-domain complex, and L7/12 C-terminal domains) linked by flexible connections. Highly mobile L7/12 C-terminal domains promote recruitment of translation factors to the ribosome and stimulate GTP hydrolysis by the ribosome bound factors through stabilization of their active GTPase conformation.

Neurotransmission critically relies on synaptic vesicles fusing with the membrane of nerve cells to release their neurotransmitter content into the synaptic cleft, a process requiring the assembly of several members of the SNARE protein family. Stein et al. have now solved the X-ray crystallographic structure of an extended neuronal SNARE complex, which suggest that these proteins operate like nanomachines whose zippering all the way into the membranes triggers their fusion. Other SNAREs are likely to function as such robust and simple membrane fusion catalysts during most secretory or endocytosis events in eukaryotes. In neurotransmission, synaptic vesicles fuse with the membrane of nerve cells to release neurotransmitter content into the synaptic cleft. This process requires the assembly of several members of the SNARE protein family. Here, the X-ray structure of a neuronal SNARE complex is solved, providing insight into how these proteins assemble. Neurotransmission relies on synaptic vesicles fusing with the membrane of nerve cells to release their neurotransmitter content into the synaptic cleft, a process requiring the assembly of several members of the SNARE (soluble N-ethylmaleimide-sensitive factor attachment protein receptor) family. SNAREs represent an evolutionarily conserved protein family that mediates membrane fusion in the secretory and endocytic pathways of eukaryotic cells1,2,3. On membrane contact, these proteins assemble in trans between the membranes as a bundle of four α-helices, with the energy released during assembly being thought to drive fusion4,5,6. However, it is unclear how the energy is transferred to the membranes and whether assembly is conformationally linked to fusion. Here, we report the X-ray structure of the neuronal SNARE complex, consisting of rat syntaxin 1A, SNAP-25 and synaptobrevin 2, with the carboxy-terminal linkers and transmembrane regions at 3.4 Å resolution. The structure shows that assembly proceeds beyond the already known core SNARE complex7, resulting in a continuous helical bundle that is further stabilized by side-chain interactions in the linker region. Our results suggest that the final phase of SNARE assembly is directly coupled to membrane merger.

Transcription and Translation in Train In bacteria, translation of messenger RNA into proteins by the ribosome usually begins soon after the ribosome binding site emerges from RNA polymerase. Now there is evidence for direct coupling between transcription and translation in bacteria. Proshkin et al. (p. 504 ; see the Perspective by Roberts ) show that the trailing ribosome controls the rate of transcription by preventing RNA polymerase from spontaneous backtracking, which allows precise adjustment of transcriptional yield to translational needs under various growth conditions. Burmann et al. (p. 501 ; see the Perspective by Roberts ) provide a potential mechanism for coupling by showing that the transcription factor NusG, which binds RNA polymerase through its amino-terminal domain, competitively binds either a ribosomal protein or the Rho transcription termination factor through its carboxy-terminal domain. Rho binding might occur after release of the ribosome from messenger RNA, thus linking termination of transcription and translation.

Abstract The dodecameric protein kinase CaMKII is expressed throughout the body. The alpha isoform is responsible for synaptic plasticity and participates in memory through its phosphorylation of synaptic proteins. Its elaborate subunit organization and propensity for autophosphorylation allow it to preserve neuronal plasticity across space and time. The prevailing hypothesis for the spread of CaMKII activity, involving shuffling of subunits between activated and naïve holoenzymes, is broadly termed subunit exchange. In contrast to the expectations of previous work, we found little evidence for subunit exchange upon activation, and no effect of restraining subunits to their parent holoenzymes. Rather, mass photometry, crosslinking mass spectrometry, single molecule TIRF microscopy and biochemical assays identify inter-holoenzyme phosphorylation (IHP) as the mechanism for spreading phosphorylation. The transient, activity-dependent formation of groups of holoenzymes is well suited to the speed of neuronal activity. Our results place fundamental limits on the activation mechanism of this kinase.

Abstract Transcription termination factor ρ is a hexameric, RNA-dependent NTPase that can adopt active closed-ring and inactive open-ring conformations. The Sm-like protein Rof, a homolog of the RNA chaperone Hfq, inhibits ρ-dependent termination in vivo but recapitulation of this activity in vitro has proven difficult and the precise mode of Rof action is presently unknown. Our electron microscopic structures of ρ-Rof and ρ-RNA complexes show that Rof undergoes pronounced conformational changes to bind ρ at the protomer interfaces, undercutting ρ conformational dynamics associated with ring closure and occluding extended primary RNA-binding sites that are also part of interfaces between ρ and RNA polymerase. Consistently, Rof impedes ρ ring closure, ρ-RNA interactions, and ρ association with transcription elongation complexes. Structure-guided mutagenesis coupled with functional assays confirmed that the observed ρ-Rof interface is required for Rof-mediated inhibition of cell growth and ρ-termination in vitro . Bioinformatic analyses revealed that Rof is restricted to Pseudomonadota and that the ρ-Rof interface is conserved. Genomic contexts of rof differ between Enterobacteriaceae and Vibrionaceae, suggesting distinct modes of Rof regulation. We hypothesize that Rof and other cellular anti-terminators silence ρ under diverse, but yet to be identified, stress conditions when unrestrained transcription termination by ρ would be lethal.

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 The ASCC3 subunit of the activating signal co-integrator complex is a dual-cassette Ski2-like nucleic acid helicase that provides single-stranded DNA for alkylation damage repair by the α-ketoglutarate-dependent dioxygenase, AlkBH3. Other ASCC components integrate ASCC3/AlkBH3 into a complex DNA repair pathway. We mapped and structurally analyzed interacting ASCC2 and ASCC3 regions. The ASCC3 fragment comprises a central helical domain and terminal, extended arms that clasp the compact ASCC2 unit. ASCC2-ASCC3 interfaces are evolutionarily highly conserved and comprise a large number of residues affected by somatic cancer mutations. We quantified contributions of protein regions to the ASCC2-ASCC3 interaction, observing that changes found in cancers lead to reduced ASCC2-ASCC3 affinity. Functional dissection of ASCC3 revealed similar organization and regulation as in the spliceosomal RNA helicase, Brr2. Our results delineate functional regions in an important DNA repair complex and suggest possible molecular disease principles.

Abstract Protein kinases play an important role in cellular signaling pathways and their dysregulation leads to multiple diseases, making kinases prime drug targets. While more than 500 human protein kinases are known to collectively mediate phosphorylation of over 290,000 S/T/Y sites, the activities have been characterized only for a minor, intensively studied subset. To systematically address this discrepancy, we developed a human kinase array in Saccharomyces cerevisiae as a simple readout tool to systematically assess kinase activities. For this array, we expressed 266 human kinases in four different Saccharomyces cerevisiae strains and profiled ectopic growth as a proxy for kinase activity across 33 conditions. More than half of the kinases showed an activity-dependent phenotype across many conditions and in more than one strain. We then employed the kinase array to identify the kinase(s) that can modulate protein-protein-interactions (PPIs). Two characterized, phosphorylation-dependent PPIs with unknown kinase-substrate relationships were analyzed in a phospho-yeast two-hybrid assay. CK2α1 and SGK2 kinases can abrogate the interaction between the spliceosomal proteins AAR2 and PRPF8 and NEK6 kinase was found to mediate the estrogen receptor (ERα) interaction with 14-3-3 proteins. The human kinase yeast array can thus be used for a variety of kinase activity-dependent readouts.