Protein design and engineering are evolving at an unprecedented pace leveraging the advances in deep learning. Current models nonetheless cannot natively consider non-protein entities within the design process. Here, we introduce a deep learning approach based solely on a geometric transformer of atomic coordinates and element names that predicts protein sequences from backbone scaffolds aware of the restraints imposed by diverse molecular environments. To validate the method, we show that it can produce highly thermostable, catalytically active enzymes with high success rates. This concept is anticipated to improve the versatility of protein design pipelines for crafting desired functions. Advances in deep learning are transforming protein design. Here, authors introduce a method using geometric transformers to predict protein sequences, resulting in highly thermostable and catalytically active enzymes with high success rates.

KAP1 (KRAB-domain associated protein 1) plays a fundamental role in regulating gene expression in mammalian cells by recruiting different transcription factors and altering the chromatin state. In doing so, KAP1 acts both as a platform for macromolecular interactions and as an E3 SUMO ligase. This work sheds light on the overall organization of the full-length protein combining solution scattering diffraction data, integrative modeling and single-molecule experiments. We show that KAP1 is an elongated antiparallel dimer with a native asymmetry at the C-terminal domain. This conformation supports our finding that the RING domain contributes to KAP1 auto-SUMOylation. Importantly, this intrinsic asymmetry has key functional implications for the KAP1 network of interactions, as the heterochromatin protein 1 (HP1) occupies only one of the two putative HP1 binding sites on the KAP1 dimer, resulting in an unexpected stoichiometry, even in the context of chromatin fibers.

Abstract Congenital myasthenic syndrome-22 (CMS22) is a rare genetic disorder caused by mutations in the prolyl endopeptidase-like ( PREPL ) gene. Since previous reports only described patients with deletions and nonsense mutations in PREPL , nothing is known about the effect of missense mutations in the pathology of CMS22. In this study, we have characterized missense mutations in PREPL in three CMS22 patients, all with hallmark phenotypes. Biochemical evaluation revealed that these missense mutations do not impair hydrolase activity, thereby challenging the conventional diagnostic criteria. Structural analysis shows that the mutations affect regions most likely involved in intra-protein or protein-protein interactions. Indeed, binding to a selected group of known interactors was differentially reduced for the three mutants. The importance of non-hydrolytic functions of PREPL was investigated in catalytically inactive PREPL p.Ser559Ala cell lines which showed that hydrolytic activity of PREPL is needed for normal mitochondrial function but not for regulating AP1-mediated transport in the trans-Golgi network. In conclusion, these studies show that CMS22 can be caused not only by deletion and truncation of PREPL but also by missense mutations that do not necessarily result in a loss of hydrolytic activity of PREPL. Graphical abstract

The polyQ-expansion at the N-terminus of huntingtin (HTT) is the prime cause of Huntington's disease. The recent cryo-EM structure of HTT with HAP40 provides information on the protein's prominent HEAT-repeats. Here, we present analyses of the impact of polyQ-length on the conformation of HTT by cryo-EM, the domain-interactions by cross-linking mass spectrometry and the phosphorylation of HTT. The cryo-EM analysis of normal (Q23-) and disease (Q78-) type HTTs in their apo forms shows that the structures of apo HTTs significantly differ from the structure of HTT-HAP40, and that the polyQ expansion induces global structural changes consisting of significant domain movements of the C-HEAT domain relative to the N-HEAT domain. In addition, we show that the polyQ-expansion alters the phosphorylation pattern across the full-length HTT and that the specific phosphorylation (Ser2116p) in turn affects the global structure of HTT, which influences the activity of polyQ-expanded HTT. These results provide a molecular basis for the effect of the N-terminal polyQ segment on HTT structure and activity, that may be important for the cell-selective toxicity of mutant HTT.

Bruton's tyrosine kinase (Btk) is a key component for B-cell maturation and activation. Btk loss-of-function mutations cause human X-linked agammaglobulinemia (XLA). In contrast, constitutive Btk signaling drives several B-cell neoplasms, which may be treated with tyrosine kinase inhibitors (TKIs). Here, we uncovered the molecular mechanism by which a subset of XLA mutations in the SH2 domain strongly perturbs Btk activation. Using a combination of molecular dynamics (MD) simulations and small-angle X-ray scattering (SAXS), we discovered an allosteric interface between the SH2 and kinase domain to which multiple XLA mutations map and which is required for Btk activation. As allosteric interactions provide unique targeting opportunities, we developed an engineered repebody protein binding to the Btk SH2 domain and able to disrupt the SH2-kinase interaction. The repebody prevented activation of wild-type and TKI-resistant Btk, inhibited Btk-dependent signaling and proliferation of malignant B-cells. Therefore, the SH2-kinase interface is critical for Btk activation and a targetable site for allosteric inhibition.

ABSTRACT Many biochemical reactions occur at the membrane interfaces. The proper control of these reactions requires spatially and temporally controlled recruitment of protein complexes. These assemblies are largely regulated by post-translational modifications and a frequent one is S-acylation, which consists of the addition of medium length acyl chains. Reversibility of this modification is ensured by acyl protein thioesterases (APTs), which are poorly understood enzymes. Using a combination of computational, structural, biochemical, and cellular approaches, we dissect the mode of action of a major cellular thioesterase, APT2 (LYPLA2). We show that for APT2 to encounter its targets, it must interact with membranes by two consecutive steps, the insertion of a hydrophobic loop and subsequent S-acylation by the ZDHHC3 or ZDHHC7 palmitoyltransferases. Once bound, APT2 deforms the lipid bilayer to extract the acyl chain bound to its substrate, capturing it in a hydrophobic pocket and allowing hydrolysis. Deacylation releases APT2, allowing it to bind to other membranes, but also renders it vulnerable to ubiquitination and proteasomal degradation. This molecular understanding of APT2 paves the way to understand the dynamics of APT2-mediated depalmitoylation throughout the endomembrane system.

Abstract Aerolysin is a β-pore-forming toxin produced by most Aeromonas bacteria which has attracted large attention in the field of nanopore sensing due to its narrow and charged pore lumen. Structurally similar proteins, belonging to the aerolysin-like family, are present throughout all kingdoms of life, but very few of them have been structurally characterized in a lipid environment. Here we present the first high-resolution atomic cryo-EM structures of aerolysin pre-pore and pore in a membrane-like environment. These structures allow the identification of key interactions, which are relevant for the pore formation and for positioning the pore barrel into the membrane with the anchoring β-turn motif now finally observed. Moreover, we elucidate at high resolution the architecture of key mutations and precisely identify four constriction rings in the pore lumen that are highly relevant for nanopore sensing experiments.

Abstract Aerolysin-like proteins are a family of β-pore-forming toxins which are widely present in all kingdoms of life. Recently, this family of proteins is gaining attention because of their biotechnological application as nanopore sensors for sensing and sequencing of biomolecules. Here, we explore the possibilities of using the knowledge of the sequence and structure of proteins to screen and explore new potential nanopore candidates. However, in spite of the conserved structural fold, the sequence identity in this family is very low. This complicates their sequence alignment, hindering the understanding of their pore structure and properties, therefore limiting further biotechnological applications. In an attempt to further understand the properties of aerolysin-like pores, we analyzed the pore structure of three family members, Clostridium perfringens epsilon toxin (ETX), Laetiporus sulphureus lectin (LSL) and Bacillus thuringiensis parasporin-2, comparing it to aerolysin. Their structure and sensing capabilities for ssDNA were first assessed by in silico methods. Moreover, ETX was characterized experimentally in planar lipid membranes for the detection of biomolecules. We found that ETX can form three distinct pore conformations, each presenting a specific open pore current, and only one of them being able to translocate ssDNA. When the ssDNA translocate through ETX, the depth of current blockage is higher compared to aerolysin which indicates a higher sensitivity for molecular sensing. Our findings open a new venue for improving and diversifying nanopore capabilities for molecular sensing.

ABSTRACT Aedes aegypti has evolved to become an efficient vector for arboviruse s but the mechanisms of host-pathogen tolerance are unknown. Immunoreceptor Toll and its ligand Spaetzle have undergone duplication which may allow neofunctionalization and adaptation. Here we present cryo-EM structures and biophysical characterisation of low affinity Toll5A complexes that display transient but specific interactions with Spaetzle1C, forming asymmetric complexes, with only one ligand clearly resolved. Loop structures of Spaetzle1C and Toll5A intercalate, temporarily bridging the receptor C-termini to promote signalling. By contrast unbound receptors form head-to-head homodimers that keep the juxtamembrane regions far apart in an inactive conformation. Interestingly the transcriptional signature of Spaetzle1C differs from other Spaetzle cytokines and controls genes involved in innate immunity, metabolism and tissue regeneration. Taken together our results explain how upregulation of Spaetzle1C in the midgut and Toll5A in the salivary gland shape the concomitant immune response.