We present a new approach to determining the conformational changes associated with biological function, and demonstrate its capabilities in the context of experimental single-particle cryo-EM snapshots of ryanodine receptor (RyR1), a Ca2+-channel involved in skeletal muscle excitation/contraction coupling. These results include the detailed conformational motions associated with functional paths including transitions between energy landscapes. The functional motions differ substantially from those inferred from discrete structures, shedding new light on the gating mechanism in RyR1. The differences include the conformationally active structural domains, the nature, sequence, and extent of conformational motions involved in function, and the way allosteric signals are transduced within and between domains. The approach is general, and applicable to a wide range of systems and processes.

Using experimental single-particle cryo-EM snapshots of ryanodine receptor (RyR1), a Ca2+-channel involved in skeletal muscle excitation/contraction coupling, we present quantitative free-energy landscapes, reaction coordinates, and three-dimensional movies of the continuous conformational changes associated with the binding of activating ligands. Our results show multiple routes to ligand binding with comparable branching ratios. All high-probability routes involve significant conformational changes before and after the binding of ligands. We also present new insights into the local structural changes along the ligand-binding route, including accommodations at the calcium, ATP, and caffeine binding sites. These observations shed new light on the mechanisms and conformational routes to ligand binding.

Targeting Clostridium difficile infection (CDI) is challenging because treatment options are limited, and high recurrence rates are common. One reason for this is that hypervirulent CDI often has a binary toxin termed the C. difficile toxin (CDT), in addition to the enterotoxins TsdA and TsdB. CDT has an enzymatic component, termed CDTa, and a pore-forming or delivery subunit termed CDTb. CDTb was characterized here using a combination of single particle cryoEM, X-ray crystallography, NMR, and other biophysical methods. In the absence of CDTa, two novel di-heptamer structures for activated CDTb (aCDTb; 1.0 MDa) were solved at atomic resolution including a symmetric (SymCDTb; 3.14 Å) and an asymmetric form (AsymCDTb; 2.84 Å). Roles played by two receptor-binding domains of aCDTb were of particular interest since RBD1 lacks sequence homology to any other known toxin, and the RBD2 domain is completely absent in other well-studied heptameric toxins (i.e. anthrax). For AsymCDTb, a novel Ca2+ binding site was discovered in RBD1 that is important for its stability, and RBD2 was found to be critical for host cell toxicity and the novel di-heptamer fold for both forms of aCDTb. Together, these studies represent a starting point for structure-based drug-discovery strategies to targeting CDT in the most severe strains of CDI.SIGNIFICANCE STATEMENT There is a high burden from C. difficile infection (CDI) throughout the world, and the Center for Disease Control (CDC) reports more than 500,000 cases annually in the United States, resulting in an estimated 15,000 deaths. In addition to the large clostridial toxins, TcdA/TcdB, a third C. difficile binary toxin (CDT) is associated with the most serious outbreaks of drug resistant CDI in the 21st century. Here, structural biology and biophysical approaches were used to characterize the cell binding component of CDT, termed CDTb, at atomic resolution. Surprisingly, two novel structures were solved from a single sample that help to explain the molecular underpinnings of C. difficile toxicity. These structures will also be important for targeting this human pathogen via structure-based therapeutic design methods.