Abstract

 Cell surface complexes of class I MHC molecules and bound peptide antigens serve as specific recognition elements controlling the cytotoxic immune response. The 2.1 Å structure of the human class I MHC molecule HLA-B27 provides a detailed composite image of a cocrystallized collection of HLA-B27-bound peptides, indicating that they share a common main-chain structure and length. It also permits direct visualization of the conservation of arginine as an "anchor" side chain at the second peptide position, which is bound in a potentially HLA-B27-specific pocket and may therefore have a role in the association of HLA-B27 with several diseases. Tight peptide binding to class I MHC molecules appears to result from the extensive contacts found at the ends of the cleft between peptide main-chain atoms and conserved MHC side chains, which also involve the peptide in stabilizing the three-dimensional fold of HLA-B27. The concentration of binding interactions at the peptide termini permits extensive sequence (and probably some length) variability in the center of the peptide, where it is exposed for T cell recognition.

ABSTRACT The opportunistic pathogen Pseudomonas aeruginosa infects cystic fibrosis (CF) patient airways and produces a virulence factor Cif that is associated with worse outcomes. Cif is an epoxide hydrolase that reduces cell-surface abundance of the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) and sabotages pro-resolving signals. Its expression is regulated by a divergently transcribed TetR family transcriptional repressor. CifR represents the first reported epoxide-sensing bacterial transcriptional regulator, but neither its interaction with cognate operator sequences nor the mechanism of activation has been investigated. Using biochemical and structural approaches, we uncovered the molecular mechanisms controlling this complex virulence operon. We present here the first molecular structures of CifR alone and in complex with operator DNA, resolved in a single crystal lattice. Significant conformational changes between these two structures suggest how CifR regulates the expression of the virulence gene cif . Interactions between the N-terminal extension of CifR with the DNA minor groove of the operator play a significant role in the operator recognition of CifR. We also determined that cysteine residue Cys107 is critical for epoxide sensing and DNA release. These results offer new insights into the stereochemical regulation of an epoxide-based virulence circuit in a critically important clinical pathogen.

Abstract Intrinsically disordered proteins (IDPs) can coordinate often transient or weak interactions with multiple proteins to mediate complex signals within large, reversible protein networks. Among these, the IDP hub protein G3BP1 forms protein complexes with Caprin1 and USP10, and the resulting control of USP10 activity plays an important role in a pathogenic virulence system that targets CFTR endocytic recycling. However, while the identities of protein interactors are known for many of these IDP hub proteins, the relationship between pairwise affinities and the extent of protein recruitment and activity is not well understood. Here we describe in vitro analysis of the G3BP1 affinities, and show that substitution of G3BP1 residues F15 or F33 to tryptophan reduces affinity for both the USP10 and Caprin1 motif peptides. These same mutations significantly reduce formation of complexes by the full-length proteins. The crystal structure of G3BP1 TripleW (F15W/F33W/F124W) mutant reveals a clear reorientation of the side chain of W33, creating a steric clash with the USP10 and Caprin1 peptides. An amino-acid scan of the USP10 and Caprin1 motif peptides reveals similarities and differences in the ability to substitute residues in the core motifs as well as specific mutations with the potential to create higher affinity peptides. Taken together, these data show that small changes in 1:1 binding affinity can have significant effects on the composition of cellular interaction hubs. These specific protein mutations can be harnessed to manipulate complex protein networks, informing future investigations into roles of these networks in cellular processes.

Abstract Epoxide hydrolases catalyze the conversion of epoxides to vicinal diols in a range of cellular processes such as signaling, detoxification, and virulence. These enzymes typically utilize a pair of tyrosine residues to orient the substrate epoxide ring in the active site and stabilize the hydrolysis intermediate. A new subclass of epoxide hydrolases that utilize a histidine in place of one of the tyrosines was established with the discovery of the CFTR Inhibitory Factor (Cif) from Pseudomonas aeruginosa . Although the presence of such Cif-like epoxide hydrolases was predicted in other opportunistic pathogens based on sequence analyses, only Cif and its homologue aCif from Acinetobacter nosocomialis have been characterized. Here we report the biochemical and structural characteristics of Cfl1 and Cfl2, two C i f - l ike epoxide hydrolases from Burkholderia cenocepacia . Cfl1 is able to hydrolyze xenobiotic as well as biological epoxides that might be encountered in the environment or during infection. In contrast, Cfl2 shows very low activity against a diverse set of epoxides. The crystal structures of the two proteins reveal quaternary structures that build on the well-known dimeric assembly of the α/β hydrolase domain, but broaden our understanding of the structural diversity encoded in novel oligomer interfaces. Analysis of the interfaces reveals both similarities and key differences in sequence conservation between the two assemblies, and between the canonical dimer and the novel oligomer interfaces of each assembly. Finally, we discuss the effects of these higher-order assemblies on the intra-monomer flexibility of Cfl1 and Cfl2 and their possible roles in regulating enzymatic activity.

PDZ domains are small protein-binding domains that interact with short, mostly C-terminal peptides and play important roles in cellular signaling and the trafficking and localization of ion channels. The CFTR-associated ligand PDZ domain (CALP) binds to the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) and mediates degradation of mature CFTR through lysosomal pathways. Inhibition of the CALP:CFTR interaction has been explored as a potential therapeutic avenue for cystic fibrosis (CF). Previously, we reported the ensemble-based computational design of a novel 6-residue peptide inhibitor of CALP, which resulted in the most binding-efficient inhibitor of CALP to date. This inhibitor, kCAL01, was designed using OSPREY and displayed significant biological activity in in vitro cell-based assays. Here, we report a crystal structure of kCAL01 bound to CALP (PDB ID: 6OV7). To elucidate the structural basis for the enhanced binding efficiency of kCAL01, we compare this structure to that of a previously developed inhibitor of CALP, iCAL36 (PDB ID: 4E34). In addition to performing traditional structural analysis, we compute the side-chain energy landscapes for each structure using the recently developed MARK* partition function approximation algorithm. Analysis of these energy landscapes not only enables approximation of binding thermodynamics for these structural models of CALP:inhibitor binding, but also foregrounds important structural features and reveals dynamic features, both of which contribute to the comparatively efficient binding of kCAL01. The investigation of energy landscapes complements traditional analysis of the few low-energy conformations found in crystal structures, and provides information about the entire conformational ensemble that is accessible to a protein structure model. Finally, we compare the previously reported NMR-based design model ensemble for kCAL01 vs. the new crystal structure and show that, despite the notable differences between the CALP NMR model and crystal structure, many significant features are successfully captured in the design ensemble. This suggests not only that ensemble-based design captured thermodynamically significant features observed in vitro, but also that a design algorithm eschewing ensembles would likely miss the kCAL01 sequence entirely.