Abstract The cellular environment is critical for efficient protein maturation, but how proteins fold during biogenesis remains poorly understood. We used hydrogen/deuterium exchange (HDX) mass spectrometry (MS) to define, at peptide resolution, the cotranslational chaperone-assisted folding pathway of Escherichia coli dihydrofolate reductase. On the ribosome, the nascent polypeptide folds via structured intermediates not populated during refolding from denaturant. Association with the ribosome allows these intermediates to form, as otherwise destabilizing C-terminal sequences remain confined in the ribosome exit tunnel. We find that partially-folded nascent chains recruit the chaperone Trigger factor, which uses a large composite hydrophobic/hydrophilic interface to engage folding intermediates without disrupting their structure. In addition, we comprehensively mapped dynamic interactions between the nascent chain and ribosomal proteins, tracing the path of the emerging polypeptide during synthesis. Our work provides a high-resolution description of de novo protein folding dynamics, thereby revealing new mechanisms by which cellular factors shape the conformational search for the native state.

Protein folding is assisted by molecular chaperones that bind nascent polypeptides during mRNA translation. Several structurally distinct classes of chaperones promote de novo folding, suggesting that their activities are coordinated at the ribosome. We used biochemical reconstitution and structural proteomics to explore the molecular basis for cotranslational chaperone action in bacteria. We found that chaperone binding is disfavored close to the ribosome, allowing folding to precede chaperone recruitment. Trigger factor recognizes compact folding intermediates that expose an extensive unfolded surface, and dictates DnaJ access to nascent chains. DnaJ uses a large surface to bind structurally diverse intermediates and recruits DnaK to sequence-diverse solvent-accessible sites. Neither Trigger factor, DnaJ, nor DnaK destabilize cotranslational folding intermediates. Instead, the chaperones collaborate to protect incipient structure in the nascent polypeptide well beyond the ribosome exit tunnel. Our findings show how the chaperone network selects and modulates cotranslational folding intermediates.

Abstract Protein folding in vivo begins during synthesis on the ribosome and is modulated by molecular chaperones that engage the nascent polypeptide. How these features of protein biogenesis influence the maturation pathway of nascent proteins is incompletely understood. Here, we use hydrogen–deuterium exchange mass spectrometry to define, at peptide resolution, the cotranslational chaperone-assisted folding pathway of Escherichia coli dihydrofolate reductase. The nascent polypeptide folds along an unanticipated pathway through structured intermediates not populated during refolding from denaturant. Association with the ribosome allows these intermediates to form, as otherwise destabilizing carboxy-terminal sequences remain confined in the ribosome exit tunnel. Trigger factor binds partially folded states without disrupting their structure, and the nascent chain is poised to complete folding immediately upon emergence of the C terminus from the exit tunnel. By mapping interactions between the nascent chain and ribosomal proteins, we trace the path of the emerging polypeptide during synthesis. Our work reveals new mechanisms by which cellular factors shape the conformational search for the native state.

SUMMARY Protein folding is assisted by molecular chaperones that bind nascent polypeptides during mRNA translation. Several structurally-distinct classes of chaperone promote de novo folding, suggesting that their activities are coordinated at the ribosome. We used biochemical reconstitution and structural proteomics to explore the molecular basis for cotranslational chaperone action in bacteria. We found that chaperone binding is disfavoured close to the ribosome, allowing folding to precede chaperone recruitment. Trigger factor subsequently recognises compact folding intermediates exposing extensive non-native surface and dictates DnaJ access to nascent chains. DnaJ uses a large surface to bind structurally diverse intermediates, and recruits DnaK to sequence-diverse solvent-accessible sites. Neither Trigger factor, DnaJ nor DnaK destabilize cotranslational folding intermediates. Instead, the chaperones collaborate to create a protected space for protein maturation that extends well beyond the ribosome exit tunnel. Our findings show how the chaperone network selects and modulates cotranslational folding intermediates.

Abstract The bacterial chaperonin GroEL/ES promotes protein folding post-translation by transiently encapsulating substrate proteins within a central chamber. GroEL also binds translating ribosomes in vivo , suggesting an additional role in cotranslational folding. Here, we used biochemical reconstitution, structural proteomics and electron microscopy to study the mechanism by which GroEL/ES engages nascent polypeptides. We show that GroEL binds nascent chains on the inside of its cavity via the apical domains and disordered C-terminal tails, resulting in local structural destabilization of the substrate. Ribosome-tethered nascent proteins are partially encapsulated upon GroES binding to GroEL, and refold in the chaperonin cavity. Reconstitution of chaperone competition at the ribosome shows that both Trigger factor and GroEL can be accommodated on long nascent chains, but GroEL and DnaK are mutually antagonistic. Our findings extend the role of GroEL/ES in de novo protein folding, and reveal an unexpected plasticity of the chaperonin mechanism that allows cotranslational substrate encapsulation.