Abstract To address data management and data exchange problems in the nuclear magnetic resonance (NMR) community, the Collaborative Computing Project for the NMR community (CCPN) created a “Data Model” that describes all the different types of information needed in an NMR structural study, from molecular structure and NMR parameters to coordinates. This paper describes the development of a set of software applications that use the Data Model and its associated libraries, thus validating the approach. These applications are freely available and provide a pipeline for high‐throughput analysis of NMR data. Three programs work directly with the Data Model: CcpNmr Analysis, an entirely new analysis and interactive display program, the CcpNmr FormatConverter, which allows transfer of data from programs commonly used in NMR to and from the Data Model, and the CLOUDS software for automated structure calculation and assignment (Carnegie Mellon University), which was rewritten to interact directly with the Data Model. The ARIA 2.0 software for structure calculation (Institut Pasteur) and the QUEEN program for validation of restraints (University of Nijmegen) were extended to provide conversion of their data to the Data Model. During these developments the Data Model has been thoroughly tested and used, demonstrating that applications can successfully exchange data via the Data Model. The software architecture developed by CCPN is now ready for new developments, such as integration with additional software applications and extensions of the Data Model into other areas of research. Proteins 2005. © 2005 Wiley‐Liss, Inc.

Abstract Background ACPYPE (or AnteChamber PYthon Parser interfacE) is a wrapper script around the ANTECHAMBER software that simplifies the generation of small molecule topologies and parameters for a variety of molecular dynamics programmes like GROMACS, CHARMM and CNS. It is written in the Python programming language and was developed as a tool for interfacing with other Python based applications such as the CCPN software suite (for NMR data analysis) and ARIA (for structure calculations from NMR data). ACPYPE is open source code, under GNU GPL v3, and is available as a stand-alone application at http://www.ccpn.ac.uk/acpype and as a web portal application at http://webapps.ccpn.ac.uk/acpype . Findings We verified the topologies generated by ACPYPE in three ways: by comparing with default AMBER topologies for standard amino acids; by generating and verifying topologies for a large set of ligands from the PDB; and by recalculating the structures for 5 protein–ligand complexes from the PDB. Conclusions ACPYPE is a tool that simplifies the automatic generation of topology and parameters in different formats for different molecular mechanics programmes, including calculation of partial charges , while being object oriented for integration with other applications.

One of the major open challenges in structural biology is to achieve effective descriptions of disordered states of proteins. This problem is difficult because these states are conformationally highly heterogeneous and cannot be represented as single structures, and therefore it is necessary to characterize their conformational properties in terms of probability distributions. Here we show that it is possible to obtain highly quantitative information about particularly important types of probability distributions, the populations of secondary structure elements (α-helix, β-strand, random coil, and polyproline II), by using the information provided by backbone chemical shifts. The application of this approach to mammalian prions indicates that for these proteins a key role in molecular recognition is played by disordered regions characterized by highly conserved polyproline II populations. We also determine the secondary structure populations of a range of other disordered proteins that are medically relevant, including p53, α-synuclein, and the Aβ peptide, as well as an oligomeric form of αB-crystallin. Because chemical shifts are the nuclear magnetic resonance parameters that can be measured under the widest variety of conditions, our approach can be used to obtain detailed information about secondary structure populations for a vast range of different protein states.

Abstract State‐of‐the‐art methods based on CNS and CYANA were used to recalculate the nuclear magnetic resonance (NMR) solution structures of 500+ proteins for which coordinates and NMR restraints are available from the Protein Data Bank. Curated restraints were obtained from the BioMagResBank FRED database. Although the original NMR structures were determined by various methods, they all were recalculated by CNS and CYANA and refined subsequently by restrained molecular dynamics (CNS) in a hydrated environment. We present an extensive analysis of the results, in terms of various quality indicators generated by PROCHECK and WHAT_CHECK. On average, the quality indicators for packing and Ramachandran appearance moved one standard deviation closer to the mean of the reference database. The structural quality of the recalculated structures is discussed in relation to various parameters, including number of restraints per residue, NOE completeness and positional root mean square deviation (RMSD). Correlations between pairs of these quality indicators were generally low; for example, there is a weak correlation between the number of restraints per residue and the Ramachandran appearance according to WHAT_CHECK ( r = 0.31). The set of recalculated coordinates constitutes a unified database of protein structures in which potential user‐ and software‐dependent biases have been kept as small as possible. The database can be used by the structural biology community for further development of calculation protocols, validation tools, structure‐based statistical approaches and modeling. The RECOORD database of recalculated structures is publicly available from http://www.ebi.ac.uk/msd/recoord . Proteins 2005. © 2005 Wiley‐Liss, Inc.

The Protein Data Bank in Europe (PDBe) (http://www.ebi.ac.uk/pdbe/) is actively working with its Worldwide Protein Data Bank partners to enhance the quality and consistency of the international archive of bio-macromolecular structure data, the Protein Data Bank (PDB). PDBe also works closely with its collaborators at the European Bioinformatics Institute and the scientific community around the world to enhance its databases and services by adding curated and actively maintained derived data to the existing structural data in the PDB. We have developed a new database infrastructure based on the remediated PDB archive data and a specially designed database for storing information on interactions between proteins and bound molecules. The group has developed new services that allow users to carry out simple textual queries or more complex 3D structure-based queries. The newly designed 'PDBeView Atlas pages' provide an overview of an individual PDB entry in a user-friendly layout and serve as a starting point to further explore the information available in the PDBe database. PDBe's active involvement with the X-ray crystallography, Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy and cryo-Electron Microscopy communities have resulted in improved tools for structure deposition and analysis.

ABSTRACT Nanobodies (Nbs) are popular and versatile tools for structural biology because they have a compact single immunoglobulin domain organization. Nbs bind their target proteins with high affinities while reducing their conformational heterogeneity, and they stabilize multi-protein complexes. Here we demonstrate that engineered Nbs can also help overcome two major obstacles that limit the resolution of single-particle cryo-EM reconstructions: particle size and preferential orientation at the water-air interface. We have developed and characterised novel constructs, termed megabodies, by grafting Nbs into selected protein scaffolds to increase their molecular weight while retaining the full antigen binding specificity and affinity. We show that the megabody design principles are applicable to different scaffold proteins and recognition domains of compatible geometries and are amenable for efficient selection from yeast display libraries. Moreover, we used a megabody to solve the 2.5 Å resolution cryo-EM structure of a membrane protein that suffers from severe preferential orientation, the human GABA A β3 homopentameric receptor bound to its small-molecule agonist histamine.

Abstract An unambiguous description of an experimental setup and analysis, and the subsequent biological observation is vital for accurate data interpretation and reproducible results. Consequently, experimental analyses should be described in a concise, unequivocal, and digestible manner. The aim of minimum information guidelines is to define the fundamental complement of data that can support an unambiguous conclusion on experimental observations. In this document, we present the Minimum Information About Disorder Experiments (MIADE) guidelines to define the minimal fundamental parameters required for non-experts to understand the key findings of an experiment studying intrinsically disordered proteins (IDPs) or intrinsically disordered protein regions (IDRs). MIADE guidelines provide recommendations for data producers to describe the results of their experiments at source, for curators to annotate experimental data to community resources and for database developers maintaining community resources to disseminate the data. We give examples of the application of these guidelines in common use cases and describe the implementation of an update to the DisProt IDP database to allow MIADE-compliant annotation. The MIADE guidelines will improve the interpretability of experimental results for data consumers, facilitate direct data submission, simplify data curation, improve data exchange among repositories and standardise the dissemination of the key metadata on an IDP experiment by IDP data sources.

Abstract Clustered regularly interspaced short palindromic repeats (CRISPR)-associated Cas9 protein is an effector that plays a major role in a prokaryotic adaptive immune system, by which invading DNA can be targeted and cut for inactivation. The Cas9 endonuclease is directed to target sites by a guide RNA (gRNA) where Cas9 can recognize specific sequences (PAMs) in foreign DNA, which then serve as an anchoring point for cleavage of the adjacent RNA-matching DNA region. Although the CRISPR-Cas9 system has been widely studied and repurposed for diverse applications (notably, genome editing), its origin and evolution remain to be elucidated. Here, we investigate the evolution of Cas9 from resurrected ancient nucleases (anCas) in extinct firmicutes species as old as 2600 myr to the current day. Surprisingly, we demonstrate that these ancient forms were much more flexible in their PAM and gRNA scaffold requirements compared to modern day Cas9 enzymes. In addition, anCas portrays a gradual paleoenzymatic adaptation from nickase to double-strand break activity, suggesting a mechanism by which ancient CRISPR systems could propagate when harboring Cas enzymes with minimal PAMs. The oldest anCas also exhibit high levels of activity with ssDNA and ssRNA targets, resembling Cas nucleases in related system types. Finally, we illustrate editing activity of the anCas enzymes in human cells. The prediction and characterization of anCas proteins uncovers an unexpected evolutionary trajectory leading to ancient enzymes with extraordinary properties.

Abstract Deep mutational scanning is a powerful approach to investigate a wide variety of research questions including protein function and stability. We performed deep mutational scanning on three essential E. coli proteins (FabZ, LpxC and MurA) involved in cell envelope synthesis using high-throughput CRISPR genome editing. This allowed us to study the effect of the introduced mutations in their original genomic context. Using more than 17,000 variants of FabZ, LpxC and MurA from the saturation editing libraries constructed here, we have interrogated protein function and the importance of individual amino acids in supporting viability. Additionally, we have exploited these libraries to study resistance development against antimicrobial compounds that target the selected proteins. Our results show that, among the three proteins studied, MurA is the superior antimicrobial target due to its low mutational flexibility which decreases the chance of acquiring resistance-conferring mutations that simultaneously preserve MurA function. Additionally, we were able to rank anti-LpxC lead compounds for further development guided by the number of resistance-conferring mutations against each compound. Our results show that deep mutational scanning studies can be used to guide drug development, which we hope will contribute towards the development of urgently needed novel antimicrobial therapies.

Abstract Many examples are known of regions of intrinsically disordered proteins (IDPs) that fold into α-helices upon binding their globular protein targets. In their unbound state these regions possess a small amount of residual helicity, referred to as pre-folded structure, which has been studied on case by case basis. In order to investigate what determines these pre-folded structures we compiled a database of peptides that fold-upon-binding, and experimentally characterized their helicity in the unbound and target-bound state. These regions are more hydrophobic and lack proline residues compared to IDPs in general. On average they possess about 17% helicity in the pre-folded state and gain 40% of helicity upon target binding. We observe that the locations of pre-folded helical regions strongly overlap with those in the targetbound IDPs. To understand this correlation, we analyzed per-residue energetic contributions stabilizing helical structure and found that target-interacting IDP have higher helix propensity. Notably, leucine is the most common residue involved in IDP-target interactions and, due to its high helix propensity, it strongly stabilizes pre-folded helical structures. For many IDP binding motifs, particularly those enriched in leucine, we observe that they not only mediate target-interactions but also confer stability to the pre-folded structure. Collectively, this shows that the formation of pre-folded helical elements is coupled to the IDP-target interactions, explaining why such elements are a common feature of α-helical binding motifs. Moreover, it probably explains the preference for leucine among IDP-target hotspots, even though this residue is underrepresented among hotspots in the interfaces between globular proteins.