Family history data on 99 autistic and 36 Down's syndrome probands are reported. They confirmed a raised familial loading for both autism and more broadly defined pervasive developmental disorders in siblings (2.9% and 2.9%, respectively, vs 0% in the Down's group) and also evidence for the familial aggregation of a lesser variant of autism, comprising more subtle communication/social impairments or stereotypic behaviours, but not mental retardation alone. Between 12.4 and 20.4% of the autism siblings and 1.6% and 3.2% of the Down's siblings exhibited this lesser variant, depending on the stringency of its definition. Amongst autistic probands with speech, various features of their disorder (increased number of autistic symptoms; reduced verbal and performance ability) as well as a history of obstetric complications, indexed an elevation in familial loading. No such association was seen in the probands without speech, even though familial loading for the lesser variant in this subgroup, was significantly higher than in the Down's controls. The findings suggest that the autism phenotype extends beyond autism as traditionally diagnosed; that aetiology involves several genes; that autism is genetically heterogeneous; and that obstetric abnormalities in autistic subjects may derive from abnormality in the foetus.

The aggregation of proteins is central to many aspects of daily life, including food processing, blood coagulation, eye cataract formation disease and prion-related neurodegenerative infections. However, the physical mechanisms responsible for amyloidosis-the irreversible fibril formation of various proteins that is linked to disorders such as Alzheimer's, Creutzfeldt-Jakob and Huntington's diseases-have not yet been fully elucidated. Here, we show that different stages of amyloid aggregation can be examined by performing a statistical polymer physics analysis of single-molecule atomic force microscopy images of heat-denatured beta-lactoglobulin fibrils. The atomic force microscopy analysis, supported by theoretical arguments, reveals that the fibrils have a multistranded helical shape with twisted ribbon-like structures. Our results also indicate a possible general model for amyloid fibril assembly and illustrate the potential of this approach for investigating fibrillar systems.

Abstract Three-component ParABS systems are widely distributed factors for plasmid partitioning and chromosome segregation in bacteria. ParB protein acts as an adaptor between the 16 bp centromeric parS DNA sequences and the DNA segregation ATPase ParA. It accumulates at high concentrations at and near a parS site by assembling a partition complex. ParB dimers form a DNA sliding clamp whose closure at parS requires CTP binding. The mechanism underlying ParB loading and the role of CTP hydrolysis however remain unclear. We show that CTP hydrolysis is dispensable for Smc recruitment to parS sites in Bacillus subtilis but is essential for chromosome segregation by ParABS in the absence of Smc. Our results suggest that CTP hydrolysis contributes to partition complex assembly via two mechanisms. It recycles off-target ParB clamps to allow for new attempts at parS targeting and it limits the extent of spreading from parS by promoting DNA unloading. We also propose a model for how parS DNA catalyzes ParB clamp closure involving a steric clash between ParB protomers binding to opposing parS half sites.

Living systems are maintained out of equilibrium by external driving forces. At stationarity, they exhibit emergent selection phenomena that break equilibrium symmetries and originate from the expansion of the accessible chemical space due to nonequilibrium conditions. Here, we use the matrix-tree theorem to derive upper and lower thermodynamic bounds on these symmetry-breaking features in linear and catalytic biochemical systems. Our bounds are independent of the kinetics and hold for both closed and open reaction networks. We also extend our results to master equations in the chemical space. Using our framework, we recover the thermodynamic constraints in kinetic proofreading. Finally, we show that the contrast of reaction-diffusion patterns can be bounded only by the nonequilibrium driving force. Our results provide a general framework for understanding the role of nonequilibrium conditions in shaping the steady-state properties of biochemical systems. Published by the American Physical Society 2024

Abstract The 70 kDalton Heat shock protein (Hsp70) chaperone system is emerging as a central hub of the proteostasis network that helps maintain protein homeostasis in all organisms. The recruitment of Hsp70 to perform a vast array of different cellular functions is regulated by a family of co-chaperones known as J-domain proteins (JDP) that bear a small namesake J-domain, which is required to interact and drive the ATPase cycle of Hsp70s. Both prokaryotic and eukaryotic JDPs display staggering diversity in domain architecture (besides the ubiquitous J-domain), function, and cell localization. On the contrary, a relatively small number of Hsp70 paralogs exist in cells, suggesting a high degree of specificity, but also promiscuity, in the partnering between JDPs and Hsp70s. Very little is known about the JDP family, despite their essential role in cellular proteostasis, development, and the link to a broad range of human diseases. The number of JDP gene sequences identified across all kingdoms as a consequence of advancements in sequencing technology has exponentially increased, where it is now beyond the ability of careful manual curation. In this work, we first provide a broad overview of the JDP repertoire accessible from public databases, and then we use an automated classification scheme, based on Artificial Neural Networks (ANNs), to demonstrate that the sequences of J-domains carry sufficient discriminatory information to recover with high reliability the phylogeny, localization, and domain composition of the corresponding full-length JDP. By harnessing the interpretability of the ANNs, we find that many of the discriminatory sequence positions match to residues that form the interaction interface between the J-domain and Hsp70. This reveals that key residues within the J-domains have coevolved with their obligatory Hsp70 partners to build chaperone circuits for specific functions in cells.

ABSTRACT ABC transporters are a broad family of biological machines, found in most prokaryotic and eukaryotic cells, performing the crucial import or export of substrates through both plasma and organellar membranes, and maintaining a steady concentration gradient driven by ATP hydrolysis. Building upon the present biophysical and biochemical characterization of ABC transporters, we propose here a model whose solution reveals that these machines are an exact molecular realization of the Maxwell Demon, a century-old abstract device that uses an energy source to drive systems away from thermodynamic equilibrium. In particular, the Maxwell Demon does not perform any direct mechanical work on the system, but simply selects which spontaneous processes to allow and which ones to forbid based on information that it collects and processes. In the molecular model introduced here, the different information-processing steps that characterize Maxwell Demons (measurement, feedback and resetting) are features that emerge from the biochemical and structural properties of ABC transporters, allowing us to develop an explicit bridge between the molecular level description and the higher-level language of information theory.

Abstract A detailed understanding of the mechanism by which Hsp70 chaperones protect cells against protein aggregation is hampered by the detailed characterization of the aggregates, which are typically heterogeneous. To tackle this problem, we designed here a reporter chaperone substrate, MLucV, composed of a stress-labile luciferase core, flanked by stress-resistant fluorescent mTFP and Venus domains, which upon denaturation formed a discrete stable population of small aggregates. Combining Förster Resonance Energy Transfer and enzymatic activity measurements provided unprecedent details on MLucV states, including native, aggregated, unfolded and chaperone-bound conformations. Using MLucV, we probed the various steps undertaken by bacterial Hsp70 to convert stable discrete aggregates into native proteins. The mechanism first involved an ATP-fuelled disaggregation and unfolding step of the stable pre-aggregated substrate, with a consequent stretching of MLucV beyond simply-unfolded conformations, followed, upon release, by native refolding. Furthermore, the ATP-fuelled unfolding action of Hsp70 on MLucV aggregates could accumulate native MLucV species under elevated denaturing temperatures, highly adverse to the native state. These results unambiguously excluded binding and preventing aggregation from the non-equilibirum mechanism by which Hsp70 converts stable aggregates into metastable native proteins.

Direct Coupling Analysis (DCA) is a powerful technique that enables to extract structural information of proteins belonging to large protein families exclusively by in silico analysis. This method is however limited by sequence availability and various biases. Here, we propose a method that exploits molecular evolution to circumvent these limitations: instead of relying on existing protein families, we used in vitro mutagenesis of TEM-1 beta lactamase combined with in vivo functional selection to generate the sequence data necessary for evolutionary analysis. We could reconstruct by this strategy, which we called CAMELS (Coupling Analysis by Molecular Evolution Library Sequencing), the lactamase fold exclusively from sequence data. Through generating and sequencing large libraries of variants, we can deal with any protein, ancient or recent, from any species, having the only constraint of setting up a functional phenotypic selection of the protein. This method allows us to obtain protein structures without solving the structure experimentally.

ABSTRACT Direct coupling analysis (DCA) is a powerful tool based on protein evolution and introduced to predict protein fold and protein-protein interactions which has been applied also to the prediction of entire interactomes. We have used DCA to analyse three proteins of the iron-sulfur biogenesis machine, an essential metabolic pathway conserved in all organisms. We show that, although based on a relatively small number of sequences due to its distribution in genomes, we can correctly recapitulate all the features of the fold of the CyaY/frataxin family, a protein involved in the human disease Friedreich’s ataxia. This result gave us confidence in the use of this tool. Application of DCA to the iron-sulfur cluster scaffold protein IscU, which has been suggested to function both as an ordered and a disordered form, allows us to clearly distinguish evolutionary traces of the structured species, suggesting that, if present in the cell, the disordered form has not left any evolutionary imprinting. We observe instead, for the first time, direct indications of how the protein can dimerize head-to-head and bind 4Fe4S clusters. Analysis of the alternative scaffold protein IscA provides strong support to a coordination of the cluster mediated by a dimeric rather than a tetrameric form as previously suggested. Our analysis also suggests the presence in solution of a mixture of monomeric and dimeric species and guide us to the prevalent one. Finally, we used DCA to analyse protein-protein interactions between some of these proteins and discuss the potentialities and the limitations of the method.

Cells possess remarkable control of the folding and entanglement topology of long and flexible chromosomal DNA molecules. It is thought that structural maintenance of chromosome (SMC) protein complexes play a crucial role in this, by organizing long DNAs into series of loops. Experimental data suggest that SMC complexes are able to translocate on DNA, as well as pull out lengths of DNA via a “loop extrusion” process. We describe a Brownian loop-capture-ratchet model for translocation and loop extrusion based on known structural, catalytic, and DNA-binding properties of the Bacillus subtilis SMC complex. Our model provides an example of a new class of molecular motor where large conformational fluctuations of the motor ‘track’ - in this case DNA - are involved in the basic translocation process. Quantitative analysis of our model leads to a series of predictions for the motor properties of SMC complexes, most strikingly a strong dependence of SMC translocation velocity and step size on tension in the DNA track that it is moving along, with “stalling” occuring at subpiconewton tensions. We discuss how the same mechanism might be used by structurally related SMC complexes ( E. coli MukBEF and eukaryote condensin, cohesin and SMC5/6) to organize genomic DNA.