Abstract In biosynthesis of the pancreatic cancer drug streptozotocin, the tri-domain nonheme-iron oxygenase, SznF, hydroxylates N δ and N ω ’ of N ω -methyl-L-arginine before oxidatively rearranging the triply modified guanidine to the N -methyl- N -nitrosourea pharmacophore. A previously published structure visualized the mono-iron cofactor in the enzyme’s C-terminal cupin domain, which effects the final rearrangement, but exhibited disorder and minimal metal occupancy in the site of the proposed diiron cofactor in the N- hydroxylating heme-oxygenase-like (HO-like) central domain. Here we leverage our recent report of an intensely absorbing µ -peroxodiiron(III/III) intermediate formed from the Fe 2 (II/II) complex and O 2 to understand assembly of the diiron cofactor in the HO-like domain and to obtain structures with both SznF iron cofactors bound. Tight binding at one diiron subsite is associated with a conformational change, which is followed by weak binding at the second subsite and rapid capture of O 2 by the Fe 2 (II/II) complex. Differences between iron-deficient and iron-replete structures reveal both the conformational change required to form the O 2 -reactive Fe 2 (II/II) complex and the structural basis for cofactor instability, showing that a ligand-harboring core helix dynamically refolds during metal acquisition and release. The cofactor also coordinates an unanticipated Glu ligand contributed by an auxiliary helix implicated in substrate binding by docking and molecular dynamics simulation. The additional ligand is conserved in another experimentally validated HO-like N -oxygenase but not in two known HO-like diiron desaturases. Among ∼9600 sequences identified bioinformatically as belonging to the emerging HO-like diiron protein (HDO) superfamily, ∼25% have this carboxylate residue and are thus tentatively assigned as N -oxygenases. Significance statement The enzyme SznF assembles the N -nitrosourea pharmacophore of the drug streptozotocin. Its central N -oxygenase domain resembles heme-oxygenase (HO) and belongs to an emerging superfamily of HO-like diiron enzymes (HDOs) with unstable metallocofactors that have resisted structural characterization. We investigated assembly of the O 2 -reactive diiron complex from metal-free SznF and Fe(II) and leveraged this insight to obtain the first structure of a functionally assigned HDO with intact cofactor. Conformational changes accompanying cofactor acquisition explain its instability, and the observation of an unanticipated glutamate ligand that is conserved in only a subset of the HDO sequences provides a potential basis for top-level assignment of enzymatic function. Our results thus provide a roadmap for structural and functional characterization of novel HDOs.

Abstract The genetic and biophysical mechanisms by which new protein functions evolve are central concerns in evolutionary biology and molecular evolution. Despite much speculation, we know little about how protein function evolves. Here, we use ancestral proteins to trace the evolutionary history of ligand recognition in a sub-class of steroid receptors (SRs), an ancient family of ligand-regulated transcription factors that enable long-range cellular communication central to multicellular life. The most ancestral members of this family display promiscuous ligand binding due to their large ligand binding pockets, while more recently evolved SRs tend to have smaller cavities. Less obvious, however, are the forces driving the selectivity of highly similar ligands. A key example is the divergence between the progesterone and androgen receptors (PR, AR), which display a high degree of sequence similarity and yet display differential ligand preferences. This work uses the ancestral steroid receptor 2 (AncSR2), the common ancestor of all 3-ketosteroids and the ancestral androgen receptor 1 (AncAR1), the seminal androgen receptor, to explore the biophysical mechanisms that drove the evolution of androgen specificity. We determine that ligand specificity in androgen receptors is driven by changes in the conformational dynamics of the receptor as well as altered binding pocket interactions, with helix 10 (H10) playing a critical role in tuning ligand specificity.

Nuclear receptors are ligand-induced transcription factors that bind directly to target genes and regulate their expression. Ligand binding initiates conformational changes that propagate to other domains, allosterically regulating their activity. The nature of this interdomain communication in nuclear receptors is poorly understood, largely owing to the difficulty of experimentally characterizing full-length structures. We have applied computational modeling approaches to describe and study the structure of the full length farnesoid X receptor (FXR), approximated by the DNA binding domain (DBD) and ligand binding domain (LBD) connected by the flexible hinge region. Using extended molecular dynamics simulations (> 10 microseconds) and enhanced sampling simulations, we provide evidence that ligands selectively induce domain rearrangement, leading to interdomain contact. We use protein-protein interaction assays to provide experimental evidence of these interactions, identifying a critical role of the hinge in mediating interdomain contact. Our results illuminate previously unknown aspects of interdomain communication in FXR and provide a framework to enable characterization of other full length nuclear receptors.

Abstract Phospholipids are ligands for nuclear hormone receptors (NRs) and regulate transcriptional programs relevant to normal physiology and disease. Here, we demonstrate that mimicking phospholipid-NR interactions greatly improves agonists of liver receptor homolog-1 (LRH-1), a promising therapeutic target for diabetes and colitis. Conventional LRH-1 modulators partially occupy the binding pocket, leaving vacant a region important for phospholipid binding and allostery. Therefore, we constructed a set of hybrid molecules with elements of natural phospholipids appended to a synthetic LRH-1 agonist. The phospholipid-mimicking group improves binding affinity, increases LRH-1 transcriptional activity, promotes coregulator recruitment, and interacts with the targeted LRH-1 residues in crystal structures. The best new agonist markedly improves colonic histopathology and disease-related weight loss in a humanized LRH-1 murine T-cell transfer model of colitis. This is the first evidence of in vivo efficacy for an LRH-1 modulator in colitis, a leap forward in agonist development.

Abstract The cyanobacterial enzyme CylK assembles the cylindrocyclophane natural products by performing two unusual alkylation reactions, forming new carbon-carbon bonds between aromatic rings and secondary alkyl halide substrates. This transformation is unprecedented in biology and the structure and mechanism of CylK are unknown. Here, we report x-ray crystal structures of CylK, revealing a distinctive fusion of a Ca 2+ binding domain and a β-propeller fold. We use a mutagenic screening approach to locate CylK’s active site at its domain interface, identifying two residues, Arg105 and Tyr473, that are required for catalysis. Anomalous diffraction datasets collected with bound bromide ions, a product analog, suggest these residues interact with the alkyl halide electrophile. Additional mutagenesis and molecular dynamics simulations implicates Asp440 and Glu374 in activating the nucleophilic aromatic ring. Bioinformatic analysis of CylK homologs from other cyanobacteria establishes that they conserve these key catalytic amino acids but they are likely associated with divergent reactivity and altered secondary metabolism. By gaining a molecular understanding of this unusual biosynthetic transformation, this work fills a gap in our understanding of how alkyl halides are activated and used by enzymes as biosynthetic intermediates, informing enzyme engineering, catalyst design, and natural product discovery.

Abstract Plasmodium parasites are reliant on the Apicomplexan AP2 (ApiAP2) transcription factor family to regulate gene expression programs. AP2 DNA binding domains have no homologs in the human or mosquito host genomes, making them potential antimalarial drug targets. Using an in-silico screen to dock thousands of small molecules into the crystal structure of the AP2-EXP (Pf3D7_1466400) AP2 domain (PDB:3IGM), we identified compounds that interact with this domain. Four compounds were found to compete for DNA binding with AP2-EXP and at least one additional ApiAP2 protein. Our top ApiAP2 competitor compound perturbs the transcriptome of P. falciparum trophozoites and results in a decrease in abundance of log 2 fold change > 2 for 50% (46/93) of AP2-EXP target genes. Additionally, two ApiAP2 competitor compounds have multi-stage anti- Plasmodium activity against blood and mosquito stage parasites. In summary, we describe a novel set of antimalarial compounds that are targeted against the ApiAP2 family of proteins. These compounds may be used for future chemical genetic interrogation of ApiAP2 proteins or serve as starting points for a new class of antimalarial therapeutics. Author Summary Plasmodium parasites are the causative agent of malaria, which resulted in over 600,000 deaths in 2021. Due to resistance arising for every antimalarial therapeutic deployed to date, new drug targets and druggable pathways must be explored. To address this concern, we used a molecular docking screen to predict competitors of DNA binding by the parasite specific family of Apicomplexan AP2 (ApiAP2) transcription factor proteins for testing in vitro and in vivo . We find that ApiAP2 competing compounds have antimalarial activity consistent with the disruption of gene regulation. This work will further our understanding of both the biological role and targetability of parasite transcriptional regulation.

Understanding the evolution of binding specificity, a heavily studied area of research, is key for determining how protein sequence changes alter function. Ligand-activation in the steroid receptor subfamily of transcription factors operates via a common allosteric mechanism which permits extant receptors to respond specifically to their cognate hormones. Here, we combine atomistic simulations with graph theory-based modeling of the inter-residue interactions within protein complexes to gain insight into how allostery drove selectivity in an ancestral receptor. An inactive ligand complex displays weakened allosteric communication, as quantified by suboptimal paths linking two functional surfaces. When function-switching mutations are incorporated, responses in allosteric networks are consistent with ligand activation status. Further analysis reveals residues that modulate features distinguishing active and inactive complexes, identifying a key, conserved residue that is crucial for activation in steroid receptors. We have identified a computational method using dynamic network analysis to probe the allosteric mechanisms driving the evolution of ligand specificity in hormone receptors, determining how residue substitutions altered allosteric networks to permit gain or loss of ligand response. These results may have general utility in elucidating how modern steroid receptors are activated by endogenous and xenobiotic molecules.

Divalent metal cations are essential to the structure and function of the ribosome. Previous characterizations of the ribosome performed under standard laboratory conditions have implicated Mg2+ as a primary mediator of ribosomal structure and function. Possible contributions of Fe2+ as a ribosomal cofactor have been largely overlooked, despite the ribosome's early evolution in a high Fe2+ environment, and its continued use by obligate anaerobes inhabiting high Fe2+ niches. Here we show that (i) Fe2+ cleaves RNA by in-line cleavage, a non-oxidative mechanism that has not been detected previously for this metal, (ii) the first-order rate constant with respect to divalent cations is hundreds of times greater with Fe2+ than with Mg2+, (iii) functional ribosomes are associated with Fe2+ after purification from cells grown under low O2 and high Fe2+, and (iv) a small fraction of Fe2+ that is associated with the ribosome is not exchangeable with surrounding divalent cations, presumably because it is tightly coordinated by rRNA and buried in the ribosome. In total, these results expand the ancient role of iron in biochemistry, suggest a novel method for regulation of translation by iron, and highlight a possible new mechanism of iron toxicity.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.

As a key regulator of metabolism and inflammation, the orphan nuclear hormone receptor, Liver Receptor Homolog-1 (LRH-1), has potential as a therapeutic target for diabetes, nonalcoholic fatty live disease, and inflammatory bowel diseases. Discovery of LRH-1 modulators has been difficult, in part due to the tendency for synthetic compounds to bind unpredictably within the lipophilic binding pocket. Using a structure-guided approach, we exploited a newly-discovered polar interaction to lock agonists in a consistent orientation. This enabled the discovery of the first low nanomolar LRH-1 agonist, one hundred times more potent than the best previous modulator. We elucidate a novel mechanism of action that relies upon specific polar interactions deep in the LRH-1 binding pocket. In an organoid model of inflammatory bowel disease, the new agonist increases expression ofLRH-1-conrolled steroidogenic genes and promotes anti-inflammatory gene expression changes. These studies constitute major progress in developing LRH-1 modulators with potential clinical utility.

Nuclear receptors are multidomain transcription factors whose full-length quaternary architecture is poorly described and understood. Most nuclear receptors bind DNA as heterodimers or homodimers, which could encompass a variety of arrangements of the individual domains. Only a handful of experimental structures currently exist describing these architectures. Given that domain interactions and protein-DNA interactions within transcriptional complexes are tightly linked to function, understanding the arrangement of nuclear receptor domains on DNA is of utmost importance. Here, we employ modeling and molecular dynamics (MD) simulations to describe the structure of the full-length farnesoid X receptor (FXR) and retinoid X receptor alpha (RXR) heterodimer bound to DNA. Using over 100 microseconds of atomistic MD simulations, we characterize the dynamic behavior of eight FXR-RXR-DNA complexes, showing that these complexes support a range of quaternary architectures. We reveal the role of DNA binding and the hinge linkers in diversifying domain arrangements, roles that have been hard to appreciate previously due to experimental limitations in studying the flexible hinge. These studies provide a much-needed framework that will enable the field to obtain a complete understanding of nuclear receptor quaternary architectures.