Abstract Huntington’s Disease is a neurodegenerative disorder caused by a CAG expansion of the first exon of the HTT gene, resulting in an extended poly-glutamine (poly-Q) tract in the N-terminus of the protein huntingtin (httex1). The structural changes occurring to the poly-Q when increasing its length remain poorly understood mainly due to its intrinsic flexibility and the strong compositional bias of the protein. The systematic application of site-specific isotopic labeling has enabled residue-specific NMR investigations of the poly-Q tract of pathogenic httex1 variants with 46 and 66 consecutive glutamines. The integrative analysis of the data reveals that the poly-Q tract adopts long α-helical conformations stabilized by glutamine side-chain to backbone hydrogen bonds. 19 F-NMR of site-specifically incorporated fluoro-glutamines and molecular dynamics simulations demonstrate that the mechanism propagating α-helical conformations towards the poly-Q from the upstream N17 domain is independent of the poly-Q track length. Aggregation and atomic force microscopy experiments show that the presence of long and persistent α-helices in the poly-Q tract is a stronger signature in defining the aggregation kinetics and the structure of the resulting fibrils than the number of glutamines. The ensemble of our observations provides a structural perspective of the pathogenicity of expanded httex1 and paves the way to a deeper understanding of poly-Q related diseases.

Abstract Arrestin dependent G protein-coupled receptor (GPCR) signaling pathway is regulated by the phosphorylation state of GPCR’s C-terminal domain, but the molecular bases of arrestin:receptor interaction are to be further illuminated. Here we investigated the impact of phosphorylation on the conformational features of the C-terminal region from three Rhodopsin-like GPCRs, the vasopressin V2 Receptor (V2R), the Growth Hormone Secretagogue or ghrelin Receptor type 1a (GHSR) and the β2-Adernergic Receptor (β2AR). Using phosphomimetic variants, we identified pre-formed secondary structure elements, or short linear motif (SLiMs), that undergo specific conformational transitions upon phosphorylation. Of importance, such conformational transition favors arrestin-2 binding. Hence, our results suggest a model in which the cellular signaling specificity of GPCRs is encoded in the phosphorylation-dependent structuration of the C-terminal regions, which will subsequently modulate arrestin conformation and therefore GPCR:arrestin signaling outcomes.

Abstract Arrestins interact with G protein-coupled receptors (GPCRs) to stop G protein activation and to initiate key signaling pathways. Recent structural studies shed light on the molecular mechanisms involved in GPCR-arrestin coupling, but whether this process is conserved among GPCRs is poorly understood. Here, we report the cryo-electron microscopy active structure of the wild-type arginine-vasopressin V2 receptor (V2R) in complex with β-arrestin1. It reveals an atypical position of β-arrestin1 compared to previously described GPCR-arrestin assemblies, associated with an original V2R/β-arrestin1 interface involving all receptor intracellular loops. Phosphorylated sites of the V2R C-terminus are clearly identified and interact extensively with the β-arrestin1 N-lobe, in agreement with structural data obtained with chimeric or synthetic systems. Overall, these findings highlight a striking structural variability among GPCR-arrestin signaling complexes.

Summary Yeast eIF4G1 interacts with RNA binding proteins (RBPs) like Pab1 and Pub1 affecting its function in translation initiation and stress granules formation. We present an NMR and SAXS study of the intrinsically disordered region of eIF4G1, eIF4G1 1-249 , and its interactions with Pub1 and Pab1. The conformational ensemble of eIF4G1 1-249 shows an α-helix within the BOX3 conserved element and a dynamic network of fuzzy π-π and π-cation interactions involving arginine and aromatic residues. The Pab1 RRM2 domain interacts with eIF4G1 BOX3, the canonical interaction site, but also with BOX2, a conserved element of unknown function to date. In contrast, the Pub1 RRM3 domain interacts with the RNA1-1 and BOX1 regions of eIF4G1. Mixtures of Pub1, Pab1 and eIF4G1 form micrometer-size protein condensates that require the presence of the eIF4G1 BOX1 element. These homotypic interactions suggest a double key mechanism of eIF4G1 regulation, important for understanding the architecture of stress granule cores.

Abstract β-arrestins are key privileged molecular partners of G-Protein Coupled Receptors (GPCRs), triggering not only their desensitization but also intracellular signaling. Existing structures point to a high conformational plasticity of β-arrestin:GPCRs interaction, with two completely different orientations between receptor and β-arrestin. The same set of structures also indicates that the C-edge loop of β-arrestin could contribute to its anchoring to the membrane, through an interaction with specific lipids, namely PI(4,5)P2. Combining molecular dynamics simulations and fluorescence spectroscopy, we show that β-arrestin 1 interacts with membranes even in the absence of a receptor, an interaction that is enhanced by PI(4,5)P2 presumably holding the β-arrestin 1 C-edge loop into the lipid bilayer. This key interaction helps β-arrestin 1 to adopt a “receptor ready” orientation. As a consequence, PI(4,5)P2 also favors the coupling of β-arrestin 1 to the ghrelin receptor (GHSR). In addition, we show that β-arrestin can adopt the two known extreme orientations when complexed with GHSR. Of importance, PI(4,5)P2 shifts the equilibrium between the two different arrangements, favoring one of them. Simulations performed on the GHSR:β-arrestin complex suggest that release of the C-edge loop is required for these transitions to occur and point to a different distribution of PI(4,5)P2 around the complex depending on the orientation of receptor-bound arrestin. Taken together, our results highlight how PI(4,5)P2 plays a true third player role in the β-arrestin:GPCRs interaction, not only by preparing β-arrestin for its further interaction with receptors but also by modulating its orientation once the protein:protein complex is formed.

ABSTRACT Retinoic acid receptors (RARs) and retinoid X receptors (RXRs) form heterodimers that activate target gene transcription by recruiting co-activator complexes in response to ligand binding. The nuclear receptor (NR) co-activator TIF2 mediates this recruitment by interacting with the ligand-binding domain (LBD) of NRs trough the nuclear receptor interaction domain (TIF2 NRID ) containing three highly conserved α-helical LxxLL motifs (NR-boxes). The precise binding mode of this domain to RXR/RAR is not clear due to the disordered nature of TIF2. Here we present the structural characterization of TIF2 NRID by integrating several experimental (NMR, SAXS, CD, SEC-MALS) and computational data. Collectively, the data are in agreement with a largely disordered protein with partially structured regions, including the NR-boxes and their flanking regions, which are evolutionary conserved. NMR and X-ray crystallographic data on TIF2 NRID in complex with RXR/RAR reveal a cooperative binding of the three NR-boxes as well as an active role of their flanking regions in the interaction.

Abstract NMR studies of large biomolecular machines and highly repetitive proteins remain challenging due to the difficulty of assigning signals to individual nuclei. Here, we present an efficient strategy to address this challenge by engineering a Pyrococcus horikoshii tRNA/alanyl-tRNA synthetase pair that enables the incorporation of up to three isotopically labeled alanine residues in a site-specific manner using in vitro protein expression. We have demonstrated the general applicability of this approach for NMR assignment by introducing isotopically labeled alanines into four proteins, including the 300-kDa molecular chaperone ClpP and the alanine-rich Phox2B transcription factor. For large protein assemblies, our labeling approach enables unambiguous assignments, while avoiding potential artefacts induced by site-specific mutations. When applied to Phox2B, which contains two poly-alanine tracts of nine and twenty alanines, we observe that the helical stability is strongly dependent on the homorepeat length, demonstrating structural cooperativity. The capacity to selectively introduce alanines with distinct labeling patterns is a powerful tool to probe structure and dynamics of biomolecular systems that are out of the reach of traditional structural biology methods.

The retinoic acid receptors (RARs) form heterodimers with retinoid X receptors (RXRs) and control gene transcription in response to ligand binding and via allosteric activation of the C-termini helix (helix H12) of its ligand-binding domain. Herein we show that in the absence of ligand, helices H12 of RXR and RAR are disordered. The selective RAR agonist, Am580, induces folding of H12, whereas in the presence of the inverse agonist BMS493, H12 stays mostly disordered. These results substantiate a link between the structural dynamics of H12 and RXR/RAR heterodimer biological functions, and highlight disordered-to-order transition as an essential mechanism for retinoic acid mediated regulation. Unliganded RAR exerts a strong repressive activity allowed by the recruitment of transcriptional corepressors and establishment of a corepressor complex in the promoter region of target genes. The human regulatory complex of the RARα bound to the full-length interaction domain of the corepressor N-CoR was studied by integrating several experimental (SAXS, X-ray crystallography, NMR, CD, AUC) and computational data. Unexpectedly, we found that, while mainly intrinsically disordered, the N-CoR presents partially evolutionary conserved structured regions that are involved in transient intramolecular contacts. In the presence of RXR/RAR, we show that N-CoR exploits its multivalency to form a multi-site complex that diplays an equilibrium between different conformational states. This conformational equilibrium is modulated by cognate ligands, RAR point mutation and RXR H12 deletion. Now, we can state that, in addition to NR conformation and ligand-induced allosteric changes, intrinsic disorder is substantially embedded in the synergetic regulation of RXR/RAR activity and its resulting abilities to communicate with the intracellular components.