We compared the conformations of the transmembrane domain (TMD) of influenza A M2 (IM2) protein reconstituted in DOPC/DOPS bilayers to those in isolated E. coli membranes, having preserved its native proteins and lipids. IM2 is a single-pass transmembrane protein known to assemble into a homo-tetrameric proton channel. To represent this channel, we made a construct containing the IM2's TMD region flanked by the juxtamembrane residues. The single cysteine substitution, L43C, of leucine located in the bilayer polar region was paramagnetically tagged with a methanethiosulfonate nitroxide label for the ESR (electron spin resonance) study. For this particular residue, we probed the conformations of the spin-labeled IM2 reconstituted in DOPC/DOPS and isolated E. coli membranes using continuous-wave (CW) ESR and double electron-electron resonance (DEER) spectroscopy. The total protein-to-lipid molar ratio spanned the range from 1:230 to 1:10,400. The CW ESR spectra corresponded to very slow spin label motion in both environments. In all cases, the DEER data were reconstructed into distance distributions with well-resolved peaks at 1.68 nm and 2.37 nm in a distance and amplitude ratios of 1.41±0.2 and 2:1, respectively. This suggests four nitroxide spin labels located at the corners of a square, indicative of an axially symmetric tetramer. The distance modeling of DEER data with molecular modeling software applied to the NMR molecular structures (PDB: 2L0J) confirmed the symmetry and closed state of the C-terminal exit pore of the IM2 TMD tetramer in agreement with the model. Thus, we can conclude that, under conditions of pH 7.4 used in this study, IM2 TMD has similar conformations in model lipid bilayers and membranes made of native E. coli lipids and proteins of comparable thickness and fluidity, notwithstanding the complexity of the E. coli membranes caused by their lipid diversity and the abundance of integral and peripheral membrane proteins.

ABSTRACT RexA and RexB function as an exclusion system that prevents bacteriophage T4 rII mutants from growing on E. coli λ phage lysogens. Recent data established that RexA is a non-specific DNA binding protein that can act independently of RexB to bias the λ bistable switch toward the lytic state, preventing conversion back to lysogeny. The molecular interactions underlying these activities are unknown, owing in part to a dearth of structural information. Here we present the 2.05-Å crystal structure of the λ RexA dimer, which reveals a two-domain architecture with unexpected structural homology to the recombination-associated protein RdgC. Modelling suggests that our structure adopts a closed conformation and would require significant domain rearrangements to facilitate DNA binding. Mutagenesis coupled with electromobility shift assays, limited proteolysis, and double electron-electron spin resonance spectroscopy support a DNA-dependent conformational change. I n vivo phenotypes of RexA mutants suggest that DNA binding is not a strict requirement for phage exclusion but may directly contribute to modulation of the bistable switch. We further demonstrate that RexA homologs from other temperate phages also dimerize and bind DNA in vitro . Collectively, these findings advance our mechanistic understanding of Rex functions and provide new evolutionary insights into different aspects of phage biology.

Bacterial chemoreceptors, the CheA histidine kinase, and the coupling protein CheW comprise transmembrane molecular arrays with remarkable sensing properties. An unanswered question concerns how receptors turn off CheA kinase activity. Chemoreceptor cytoplasmic regions engineered to assume a trimer-of-receptor-dimers configuration form well-defined complexes with CheA and CheW and promote a kinase-off state. These mimics of core signaling units were assembled to homogeneity and investigated by site-directed spin-labeling with pulse-dipolar ESR spectroscopy (PDS), small-angle x-ray scattering, targeted protein cross-linking, and cryo-electron microscopy. The kinase-off state is especially stable, has relatively low domain mobility and associates the histidine substrate domain P1 and docking domain P2 with the kinase core. Distances measured between spin-labeled ADP molecules bound to the P4 kinase domain provide evidence for a dipped conformation that has been previously proposed from molecular dynamics simulations. Taken together, the data provide an experimentally restrained model for the inhibited state of the core-signaling unit and suggest that chemoreceptors indirectly sequester the kinase and substrate domains to limit histidine autophosphorylation.

We compared the conformations of the transmembrane domain (TMD) of influenza A M2 (IAM2) protein reconstituted at pH 7.4 in DOPC/DOPS bilayers to those in isolated E. coli membranes, having preserved its native proteins and lipids. IAM2 is a single-pass transmembrane protein known to assemble into homo-tetrameric proton channel. To represent this channel, we made a construct containing the IAM2 TMD region flanked by the juxtamembrane residues. The single cysteine substitute, L43C, of leucine located in the bilayer polar region was paramagnetically tagged with a methanethiosulfonate nitroxide label for the ESR (electron spin resonance) study. We compared the conformations of the spin-labeled IAM2 residing in DOPC/DOPS and native E. coli membranes using continuous wave (CW) ESR and double electron-electron resonance (DEER) spectroscopy. The total protein-to-lipid molar ratio spanned the range from 1:230 to 1:10,400. The CW ESR spectra corresponded to a nearly rigid limit spin label dynamics in both environments. In all cases, the DEER data were reconstructed into the distance distributions showing well-resolved peaks at 1.68 nm and 2.37 nm. The peak distance ratio was 1.41 and the amplitude ratio was 2:1. This is what one expects from four nitroxide spin-labels located at the corners of a square, indicative of an axially symmetric tetramer. Distance modeling of DEER data with molecular modeling software applied to the NMR molecular structures (PDB: 2L0J) confirmed the symmetry and closed state of the C-terminal exit pore of the IAM2 tetramer in agreement with the NMR model. Thus, we can conclude that IAM2 TMD has similar conformations in model and native E. coli membranes of comparable thickness and fluidity, notwithstanding the complexity of the E. coli membranes caused by their lipid diversity and the abundance of integral and peripheral membrane proteins.

ABSTRACT Lipid droplets (LDs) are dynamic organelles that contain an oil core mainly composed of triglycerides (TAG) that is surrounded by a phospholipid monolayer and LD-associated proteins called perilipins (PLINs). During LD biogenesis, perilipin 3 (PLIN3) is recruited to nascent LDs as they emerge from the endoplasmic reticulum. Here, we analyzed how lipid composition affects PLIN3 recruitment to membrane bilayers and LDs, and the structural changes that occur upon membrane binding. We found the TAG precursors phosphatidic acid and diacylglycerol (DAG) recruit PLIN3 to membrane bilayers and define an expanded Perilipin-ADRP-Tip47 (PAT) domain that preferentially binds DAG enriched membranes. Membrane binding induces a disorder/order transition of alpha helices within the PAT domain and 11-mer repeats, with intramolecular distance measurements consistent with the expanded PAT domain adopting a folded but dynamic structure upon membrane binding. In cells, PLIN3 is recruited to DAG enriched ER membranes, and this requires both the PAT domain and 11-mer repeats. This provides molecular details of PLIN3 recruitment to nascent LDs and identifies a function of the PAT domain of PLIN3 in DAG binding.

Abstract We report our findings on the assembly of the HIV-1 protein Vpu into soluble oligomers. Vpu is a key to HIV-1 protein. It has been considered exclusively a single-pass membrane protein. However, we revealed that this protein forms stable oligomers in aqueous solution, which is an interesting and rather unique observation, as the number of proteins transitioning between soluble and membrane embedded states is limited. Therefore, we undertook a study to characterize these oligomers by utilizing protein engineering, size exclusion chromatography, cryoEM and electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy. We found that Vpu oligomerizes via its N-terminal transmembrane domain (TM). CryoEM analyses suggest that the oligomeric state most likely is a hexamer or hexamer-to-heptamer equilibrium. Both cryoEM and EPR suggest that, within the oligomer, the distant C-terminal region of Vpu is highly flexible. To the best of our knowledge, this is the first comprehensive study on soluble Vpu. We propose that these oligomers are stabilized via possibly hydrophobic interactions between Vpu TMs. Our findings contribute valuable information about this protein properties and about protein supramolecular complexes formation. The acquired knowledge could be further used in protein engineering, and could also help to uncover possible physiological function of these Vpu oligomers.