An essential step in macromolecular refinement is the selection of model parameters which give as good a description of the experimental data as possible while retaining a realistic data-to-parameter ratio. This is particularly true of the choice of atomic displacement parameters, where the move from individual isotropic to individual anisotropic refinement involves a sixfold increase in the number of required displacement parameters. The number of refinement parameters can be reduced by using collective variables rather than independent atomic variables and one of the simplest examples of this is the TLS parameterization for describing the translation, libration and screw-rotation displacements of a pseudo-rigid body. This article describes the implementation of the TLS parameterization in the macromolecular refinement program REFMAC. Derivatives of the residual with respect to the TLS parameters are expanded in terms of the derivatives with respect to individual anisotropic U values, which in turn are calculated using a fast Fourier transform technique. TLS refinement is therefore fast and can be used routinely. Examples of TLS refinement are given for glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase (GAPDH) and a transcription activator GerE, for both of which there is data to only 2.0 Å, so that individual anisotropic refinement is not feasible. GAPDH has been refined with between one and four TLS groups in the asymmetric unit and GerE with six TLS groups. In both cases, inclusion of TLS parameters gives improved refinement statistics and in particular an improvement in R and free R values of several percent. Furthermore, GAPDH and GerE have two and six molecules in the asymmetric unit, respectively, and in each case the displacement parameters differ significantly between molecules. These differences are well accounted for by the TLS parameterization, leaving residual local displacements which are very similar between molecules and to which NCS restraints can be applied.

Biological macromolecules are polymers and therefore the restraints for macromolecular refinement can be subdivided into two sets: restraints that are applied to atoms that all belong to the same monomer and restraints that are associated with the covalent bonds between monomers. The CCP 4 template-restraint library contains three types of data entries defining template restraints: descriptions of monomers and their modifications, both used for intramonomer restraints, and descriptions of links for intermonomer restraints. The library provides generic descriptions of modifications and links for protein, DNA and RNA chains, and for some post-translational modifications including glycosylation. Structure-specific template restraints can be defined in a user's additional restraint library. Here, JLigand , a new CCP 4 graphical interface to LibCheck and REFMAC that has been developed to manage the user's library and generate new monomer entries is described, as well as new entries for links and associated modifications.

Abstract Surface layers (S-layers) are resilient two-dimensional protein lattices that encapsulate many bacteria and most archaea. In archaea, S-layers usually form the only structural component of the cell wall and thus act as the final frontier between the cell and its environment. Therefore, S-layers are crucial for supporting microbial life. Notwithstanding their importance, little is known about archaeal S-layers at the atomic level. Here, we combined single particle cryo electron microscopy (cryoEM), cryo electron tomography (cryoET) and Alphafold2 predictions to generate an atomic model of the two-component S-layer of Sulfolobus acidocaldarius . The outer component of this S-layer (SlaA) is a flexible, highly glycosylated, and stable protein. Together with the inner and membrane-bound component (SlaB), they assemble into a porous and interwoven lattice. We hypothesize that jackknife-like conformational changes, as well as pH-induced alterations in the surface charge of SlaA, play important roles in S-layer assembly.

Abstract SARM1 is a central executor of axonal degeneration ( 1 ). Mechanistically, SARM1 contains NADase activity, which, in response to nerve injury, depletes the key cellular metabolite, NAD+ ( 2–5 ). Interestingly, SARM1 knockout mouse models do not present any apparent physiological impairment. Yet, the lack of SARM1 protects against various neuropathies ( 6, 7 ), thereby highlighting SARM1 as a likely safe and effective drug target ( 8 ). However, the absence of a SARM1 structure, in its active or inhibited form, makes it impossible to understand the molecular basis of SARM1 inhibition, and its activation under stress conditions. In this study we present two cryo-EM maps of SARM1 (at 2.6 Å and 2.9 Å resolution). We show that the inhibited SARM1 homo-octamer assumes a packed conformation with well-ordered inner and peripheral rings. Here the catalytic TIR domains are held apart from each other and are unable to form dimers, which is a prerequisite for NADase activity. More importantly, after screening several cellular metabolites we discovered that the inactive conformation is stabilized by the binding of SARM1’s own substrate: NAD+. The NAD+ inhibitory allosteric site is located away from the NAD+ catalytic site of the TIR domain. Site-directed mutagenesis of the allosteric site leads to constitutive active SARM1. Based on our data we propose that a reduction of cellular NAD+ concentrations (an early indication of disease-associated and age-related neurodegeneration ( 9 )) disassemble SARM1’s peripheral ring, which allows NADase activity. This leads to an energetic catastrophe and eventually cell death. The discovery of the allosteric inhibitory site opens the door for the development of effective drugs that will prevent SARM1 activation, rather than compete for binding to the NADase catalytic site. Brief description It is not known how NAD+ depletion brings about neurodegeneration. Here, we show that the intrinsic NADase activity of SARM1 is allosterically inhibited by physiological concentrations of NAD+. NAD+ stabilizes a compact, auto-inhibited conformation of the SARM1 octamer. Once NAD+ levels are depleted, the allosteric inhibition is released, enabling SARM1’s NADase activity, which eventually leads to energetic catastrophe and cell death.

Abstract Amongst the major types of archaeal filaments, several have been shown to closely resemble bacterial homologues of the Type IV pili (T4P). Within Sulfolobales , member species encode for three types of T4P, namely the archaellum, the UV-inducible pilus system (Ups) and the archaeal adhesive pilus (Aap). Whereas the archaellum functions primarily in swimming motility, and the Ups in UV-induced cell aggregation and DNA-exchange, the Aap plays an important role in adhesion and twitching motility. Here, we present a cryoEM structure of the Aap of the archaeal model organism Sulfolobus acidocaldarius . We identify the component subunit as AapB and find that while its structure follows the canonical T4P blueprint, it adopts three distinct conformations within the pilus. The tri-conformer Aap structure that we describe challenges our current understanding of pilus structure and sheds new light on the principles of twitching motility.

Abstract Amongst the major archaeal filament types, several have been shown to closely resemble bacterial homologues of the Type IV pili (T4P). Within Sulfolobales, member species encode for three types of T4P, namely the archaellum, the UV-inducible pilus (Uvp) and the archaeal adhesive pilus (Aap). Whereas the archaellum functions primarily in swimming motility, and the Uvp in UV-induced cell aggregation and DNA-exchange, the Aap plays an important role in adhesion and twitching motility. All previously solved Aap appear to have almost identical helical structures. Here, we present a cryoEM structure of the Aap of the archaeal model organism Sulfolobus acidocaldarius. We identify the component subunit as AapB and find that while its structure follows the canonical T4P blueprint, it adopts three distinct conformations within the pilus. The tri-conformer Aap structure that we describe challenges our current understanding of pilus structure and sheds new light on the principles of twitching motility.

Abstract Ufmylation, a protein modification by Ubiquitin-like (UBL) protein UFM1, plays a crucial role in several cellular processes including DNA damage response, protein translation and ER homeostasis. To date, little is known how the enzymes responsible for this modification coordinate their action. Here we have studied the details of UFL1 (E3) activity, its binding to UFC1 (E2), and its relation to UBA5 (E1), using a combination of structural modeling with Alphafold2, X-ray crystallography, NMR, and in vitro biochemical activity assays. Guided by an Alphafold2 model, we generated an active UFL1 fusion construct that includes its cofactor DDRGK1, and solved the first crystal structure of this critical interaction. This fusion construct also unveiled the importance of the N-terminal helix of UFL1 for its binding to UFC1, which was validated by ITC and NMR experiments. Importantly, the binding site suggested by our structural model of the UFL1-UFC1 interaction reveals a conserved interface, and suggests a competition for binding to UFC1 between UFL1 and UBA5, which we reconfirmed by NMR. Altogether, our study reveals a novel, terminal helix-mediated regulatory mechanism which coordinates the cascade of E1-E2-E3 mediated transfer of UFM1 to its substrate, and provides new leads to target this important modification. Significance statement Ufmylation is an important post-translational modification, but little is known about the mechanistic details of its machinery, and in particular how the UFM1 E3 ligase (UFL1) binds and functions together with the E2 conjugating enzyme (UFC1). We combined AlphaFold2 modeling, X-ray crystallography, NMR and biochemical experiments to reveal crucial elements that govern UFL1 activity and ufmylation. We discover a crucial role for the UFL1 N-terminal helix in binding to UFC1 and productive ufmylation. This helix competes with the E1 (UBA5) C-terminal helix for binding to UFC1. Altogether, our findings uncover a new, helix-mediated regulatory mechanism in ufmylation.

Abstract N -acetyl-D-glucosamine (GlcNAc) is a major component of bacterial cell walls. Many organisms recycle GlcNAc from the cell wall or metabolise environmental GlcNAc. The first step in GlcNAc metabolism is phosphorylation to GlcNAc-6-phosphate. In bacteria, the ROK family kinase NagK performs this activity. Although ROK kinases have been studied extensively, no ternary complex showing the two substrates has yet been observed. Here, we solved the structure of NagK from the human pathogen Plesiomonas shigelloides in complex with GlcNAc and the ATP analogue AMP-PNP. Surprisingly, Ps NagK showed two conformational changes associated with the binding of each substrate. Consistent with this, the enzyme showed a sequential random enzyme mechanism. This indicates that the enzyme acts as a coordinated unit responding to each interaction. Molecular dynamics modelling of catalytic ion binding confirmed the location of the essential catalytic metal. Site-directed mutagenesis confirmed the catalytic base, and that the metal coordinating residue is essential. Together, this study provides the most comprehensive insight into the activity of a ROK kinase.

Abstract Translational control is an essential process for the cell to adapt to varying physiological or environmental conditions. To survive adverse conditions such as low nutrient levels, translation can be shut down almost entirely by inhibiting ribosomal function. Here we investigated eukaryotic hibernating ribosomes from the microsporidian parasite Spraguea lophii in situ by a combination of cryo-electron tomography (cryoET) and single particle cryoEM. We show that microsporidian spores contain ribosomes primed for host cell invasion and thus shed new light on the infection mechanism of this important pathogen. Prior to host infection, virtually all ribosomes are locked in the 100 S dimeric state, which appears to be formed by a unique dimerization mechanism that is distinct from its bacterial counterparts. Within the dimer, the hibernation factor MDF1 is bound within the E site, locking the L1 stalk in a closed conformation, and thus preventing the translation of mRNAs to polypeptides.

Abstract Pili are ubiquitous filamentous surface extensions that play crucial roles for bacterial and archaeal cellular processes such as adhesion, biofilm formation, motility, cell-cell communication, DNA uptake and horizontal gene transfer to name a few. Here we report on the discovery and structure of the archaeal thread – a remarkably stable archaeal pilus that belongs to a so-far largely unknown class of protein filaments. We find that the filament is highly glycosylated and interconnected via donor strand complementation, as well as isopeptide bonds, reminiscent of bacterial type I pili. Despite striking structural similarity with bacterial type-1 pili, archaeal threads appear to have evolved independently and are likely assembled by a markedly distinct mechanism.