Abstract Ubiquitin (Ub) ligases E3 are an important factor in selecting target proteins for ubiquitination and determining the type of polyubiquitin chains on the target proteins. In the HECT (homologous to E6AP C-terminus)-type E3 ligases, the HECT domain is composed of an N-lobe containing the E2-binding site and a C-lobe containing the catalytic Cys residue that forms a thioester bond with Ub. These two lobes are connected by a flexible hinge loop. The large conformational rearrangement of the HECT domain via the flexible hinge loop is essential for HECT-type E3-mediated Ub transfer from E2 to a target protein. However, detailed insights into the structural dynamics of this type of E3 ligases remain unclear. Here, we provide the first direct demonstration of structural dynamics of the E6AP HECT domain using high-speed atomic force microscopy. We also investigated structural dynamics of hinge loop flexibility restricted HECT domain, and we found that flexibility of the E6AP hinge loop has a great impact not only on its structural dynamics but also on the formation of free Ub chains mediated by E3-E3 interactions.

Abstract A root hair is a long tubular protrusion from a root hair cell established via tip growth, which is accomplished by the polarized deposition of membranous and cell wall components at the root hair apex accompanied by simultaneous hardening of the shank. The polarized secretion of materials to the root hair apex is well investigated; however, little is known about the deposition of inner cell wall materials at the root hair shank. We have previously reported that phosphatidylinositol-3,5-bisphosphate (PtdIns(3,5)P 2 )/ROP10 signaling is required for the regulation of cortical microtubule construction and the deposition of inner cell wall components at the root hair shank during hardening. To unravel the alternate secretion mechanism for delivery of the inner cell wall components to root hair shank, here, we demonstrate that root hair-specific Qa-SNARE, SYP123, localizes to the subapical zone and shank of elongating root hairs in Arabidopsis. SYP123-mediated root hair elongation was inhibited by the FAB1 inhibitor YM201636, and inhibition of PtdIns(3,5)P 2 production impaired the plasma membrane localization of SYP123. We also showed that SYP123 forms a SNARE complex with VAMP727 on the plasma membrane, and syp123 and vamp727 mutants exhibited lower cell wall stiffness in the root hair shank because of impaired deposition of inner cell wall components. These results indicate that SYP123/VAMP727-mediated secretion is involved in the transport of inner cell wall components for hardening of the root hair shank.

α-Amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole propionic acid glutamate receptors (AMPARs) enable rapid excitatory synaptic transmission by localizing to the postsynaptic density of glutamatergic spines. AMPARs possess large extracellular N-terminal domains (NTDs), which are crucial for AMPAR clustering at synaptic sites. However, the dynamics of NTDs and the molecular mechanism governing their synaptic clustering remain elusive. Here, we employed high-speed atomic force microscopy (HS-AFM) to directly visualize the conformational dynamics of NTDs in the GluA2 subunit complexed with TARP γ2 in lipid environments. HS-AFM videos of GluA2-γ2 in the resting and activated/open states revealed fluctuations in NTD dimers. Conversely, in the desensitized/closed state, the two NTD dimers adopted a separated conformation with less fluctuation. Notably, we observed individual NTD dimers transitioning into monomers, with extended monomeric states in the activated/open state. Molecular dynamics simulations provided further support, confirming the energetic stability of the monomeric NTD states within lipids. This NTD-dimer splitting resulted in subunit exchange between the receptors and increased the number of interaction sites with synaptic protein neuronal pentraxin 1 (NP1). Moreover, our HS-AFM studies revealed that NP1 forms a ring-shaped octamer through N-terminal disulfide bonds and binds to the tip of the NTD. These findings suggest a molecular mechanism in which NP1, upon forming an octamer, is secreted into the synaptic region and binds to the tip of the GluA2 NTD, thereby bridging and clustering multiple AMPARs. Thus, our findings illuminate the critical role of NTD dynamics in the synaptic clustering of AMPARs and contribute valuable insights into the fundamental processes of synaptic transmission.

Abstract Classical Anfinsenʼs dogma states that a protein folds into a single unique conformation with minimal Gibbs energy under physiological conditions. However, recent advances have revealed that single amino acid sequences can fold into two or more conformations. Here, we propose a novel approach to design a protein that adopts interconvertible alternative functional conformations, termed “seesaw” protein (SSP). An SSP was engineered by fusing GFP lacking the C-terminal β-strand and DHFR lacking the N-terminal β-strand with an overlapping linker, which can be competitively incorporated into either the GFP or the DHFR moiety. In vivo and biochemical analysis, including AFM imaging, demonstrated that the SSP adopts two alternative conformations, which can be biased by point mutations and ligand binding. In addition, the balance of the seesaw can be reversibly changed depending on buffer conditions. In summary, our design strategy for SSP provides a new direction for creating artificial proteins with on-off behaviors.