Abstract Neurotransmitter:sodium symporters (NSSs) play critical roles in neural signaling by regulating neurotransmitter uptake into cells powered by sodium electrochemical gradients. Bacterial NSSs orthologs, including MhsT from Bacillus halodurans , have emerged as model systems to understands the structural motifs of alternating access in NSSs and the extent of conservation of these motifs across the family. Here, we apply a novel computational/experimental methodology to illuminate the energy landscape of MhsT alternating access. Capitalizing on our recently developed method, Sampling Protein Ensembles and Conformational Heterogeneity with AlphaFold2 (SPEACH_AF), we derived clusters of MhsT models spanning the transition from inward-facing to outward-facing conformations. Systematic application of double electron-electron resonance (DEER) spectroscopy revealed ligand-dependent movement of multiple structural motifs that underpins MhsT’s conformational cycle. Remarkably, comparative DEER analysis in detergent micelles and lipid nanodiscs highlight the profound effect of the environment on the energetics of conformational changes. Through experimentally-derived selection of collective variables, we present a model of ion and substrate powered transport by MhsT consistent with the conformational cycle derived from DEER. Our findings not only advance the understanding of MhsT’s function but also uncover motifs of conformational dynamics conserved within the broader context of the NSS family and within the LeuT-fold class of transporters. Importantly, our methodological blueprint introduces a novel approach that can be applied across a diverse spectrum of transporters to describe their energy landscapes. Significance Statement The neurotransmitter:sodium symporter (NSS) family plays a crucial role in neurotransmitter reuptake, a sodium-dependent process that transports neurotransmitters from the synapse back into the neuron. This study investigates the bacterial tryptophan transporter MhsT, a homolog of human NSSs, using the deep learning method AlphaFold2 in conjunction with double electron-electron resonance spectroscopy. This combined approach enables us to map the energy landscape that dictates the conformational shifts crucial for MhsT’s function. Furthermore, we reveal how the environment modulates the transporter’s dynamics. From our research, we develop a model of MhsT transport that highlights the extent of mechanistic conservation across the NSS family. Additionally, we introduce a comprehensive framework for exploring the energetic landscapes of transporters, effectively integrating computational and experimental methods.

ABSTRACT Parkinson disease (PD) is a progressive, neurodegenerative disorder affecting over 6.1 million people worldwide. Although the cause of PD remains unclear, studies of highly-penetrant mutations identified in early-onset familial parkinsonism have contributed to our understanding of the molecular mechanisms underlying disease pathology. Dopamine (DA) transporter (DAT) deficiency syndrome (DTDS) is a distinct type of infantile parkinsonism-dystonia that shares key clinical features with PD, including motor deficits (progressive bradykinesia, tremor, hypomimia) and altered DA neurotransmission. Here, we define structural, functional, and behavioral consequences of a Cys substitution at R445 in human DAT (hDAT R445C), identified in a patient with DTDS. We found that this R445 substitution disrupts a phylogenetically conserved intracellular (IC) network of interactions that compromise the hDAT IC gate. This is demonstrated by both Rosetta molecular modeling and fine-grained simulations using hDAT R445C, as well as EPR analysis and X-ray crystallography of the bacterial homolog leucine transporter. Notably, the disruption of this IC network of interactions supported a channel-like intermediate of hDAT and compromised hDAT function. We demonstrate that Drosophila melanogaster expressing hDAT R445C show impaired hDAT activity, which is associated with DA dysfunction in isolated brains and with abnormal behaviors monitored at high-speed time resolution. We show that hDAT R445C Drosophila exhibit motor deficits, lack of motor coordination (i.e. flight coordination) and phenotypic heterogeneity in these behaviors that is typically associated with DTDS and PD. These behaviors are linked with altered dopaminergic signaling stemming from loss of DA neurons and decreased DA availability. We rescued flight coordination through enhanced DAT surface expression via the lysosomal inhibitor chloroquine. Together, these studies shed light on how a DTDS-linked DAT mutation underlies DA dysfunction and, more broadly, the clinical phenotypes shared by DTDS and PD.