HIV-1 protease is an essential enzyme for viral particle maturation and is a target in the fight against HIV-1 infection worldwide. Several natural polymorphisms are also associated with drug resistance. Here, we utilized both pulsed electron double resonance, also called double electron-electron resonance, and NMR (15)N relaxation measurements to characterize equilibrium conformational sampling and backbone dynamics of an HIV-1 protease construct containing four specific natural polymorphisms commonly found in subtypes A, F, and CRF_01 A/E. Results show enhanced backbone dynamics, particularly in the flap region, and the persistence of a novel conformational ensemble that we hypothesize is an alternative flap orientation of a curled open state or an asymmetric configuration when interacting with inhibitors.

SUMMARY Nutrient copper supply is critical for cell growth and differentiation, and its disturbance is associated with major pathologies including cancer and neurodegeneration. Although increasing copper bioavailability in late Precambrian facilitated emergence of novel cuproproteins, their intricate regulation by this essential trace element remains largely cryptic. We found that subtle rises in cellular copper strikingly increase polyubiquitination and accelerate protein degradation within 30 minutes in numerous mammalian cell lines. We track this surprising observation to allostery induced in the UBE2D ubiquitin conjugase clade through a conserved CXXXC sub-femtomolar-affinity Cu + binding motif. Thus, physiologic fluctuation in cytoplasmic Cu + is coupled to the prompt degradation of UBE2D protein targets, including p53. In Drosophila harboring a larval-lethal knockdown of the nearly identical fly orthologue UbcD1, complementation with human UBE2D2 restored near-normal development, but mutation of its CXXXC Cu + binding motif profoundly disrupted organogenesis. Nutrient Cu + emerges as a trophic allosteric modulator of UBE2D activity through a structural motif whose evolution coincides with animal multicellularity. One Sentence Summary Modulation of nutrient copper impacts protein turnover and animal morphogenesis through conserved allostery of ubiquitin E2D conjugases. Hilights Nutrient copper supply is critical for cell growth and differentiation The E2D clade of ubiquitin conjugases contains a sub-femtomolar-affinity Cu + binding motif Allosteric activation by Cu + markedly accelerates protein polyubiquitination This sensor couples physiologic fluctuations in cytoplasmic Cu + with the degradation rate of E2D targets, including p53 This metazoan signaling mechanism is critical for drosophila morphogenesis In Brief Conserved allostery of ubiquitin E2D conjugases links nutrient copper signaling to protein degradation and animal morphogenesis. Abstract Figure Graphical Abstract

Summary Interleukin (IL-)11, an IL-6 family cytokine, has pivotal roles in numerous autoimmune diseases, fibrotic complications, and solid cancers. Despite intense therapeutic targeting efforts, structural understanding of IL-11 signalling and mechanistic insights into current inhibitors is lacking. Here we present cryo-EM and crystal structures of the IL-11 signalling complex, including the complex containing the complete extracellular domains of the shared IL-6 family β-receptor, gp130. We show that the membrane-proximal domains of gp130 are dynamic and do not participate in complex assembly. We demonstrate that the cytokine mutant ‘IL-11 Mutein’ competitively inhibits signalling in human cell lines. Structural shifts in IL-11 Mutein underlie inhibitory activity by altering cytokine binding interactions at all three receptor-engaging sites and abrogating the final gp130 binding step. Our results reveal the structural basis of IL-11 signalling, define the molecular mechanisms of an inhibitor, and advance understanding of gp130-containing receptor complexes, with potential applications in therapeutic development.

ABSTRACT Necroptosis is a lytic programmed cell death pathway with origins in innate immunity that is frequently dysregulated in inflammatory diseases. The terminal effector of the pathway, MLKL, is licensed to kill following phosphorylation of its pseudokinase domain by the upstream regulator, RIPK3 kinase. Phosphorylation provokes the unleashing of MLKL’s N-terminal four-helix bundle (4HB or HeLo) domain, which binds and permeabilizes the plasma membrane to cause cell death. The precise mechanism by which the 4HB domain permeabilizes membranes, and how the mechanism differs between species, remains unclear. Here, we identify the membrane binding epitope of mouse MLKL using NMR spectroscopy. Using liposome permeabilization and cell death assays, we validate K69 in the α3 helix, W108 in the α4 helix, and R137/Q138 in the first brace helix as crucial residues for necroptotic signaling. This epitope differs from the phospholipid binding site reported for human MLKL, which comprises basic residues primarily located in the α1 and α2 helices. In further contrast to human and plant MLKL orthologs, in which the α3-α4 loop forms a helix, this loop is unstructured in mouse MLKL in solution. Together, these findings illustrate the versatility of the 4HB domain fold, whose lytic function can be mediated by distinct epitopes in different orthologs.

Summary Unlike many signaling proteins that function as binary switches between ‘on and off’ states, G protein-coupled receptors (GPCRs) exhibit basal activity that can be increased or decreased by numerous ligands. A given receptor can recognize multiple ligands, allosteric modulators, and transducers to create a complex free energy landscape. Many of the lowest energy states have been captured by static structural techniques while detailing the wells’ widths, metastable states, and the transition between them, is still in its infancy. Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy can monitor the structure and dynamics of GPCR ensembles across fifteen orders-of-magnitude, but technical challenges have limited its application to super-microsecond timescales. Focusing on a prototypical peptide-binding GPCR, the neurotensin receptor 1 (NTS 1 ), we employed NMR and density functional theory (DFT) to probe global sub-nanosecond motions. The near random coil chemical shifts of the apo receptor produced a poor correlation with theoretical predictions that may indicate a high degree of conformational averaging in solution, a crystallization artifact, or both. Whereas orthosteric agonists and antagonists both rigidified the receptor, but to varying degrees, which suggests conformational entropy differentially contributes to their respective pharmacology. The strong correlations of observed and theoretical chemical shifts lend confidence to interpreting spectra in terms of local structure, methyl dihedral angle geometry, and pico-second timescale transitions. Together, our results suggest a role for sub-nanosecond dynamics and conformational entropy in GPCR ligand discrimination.

Abstract Our poor understanding of the mechanism by which the peptide-hormone H2 relaxin activates its G protein coupled receptor, RXFP1 and the related receptor RXFP2, has hindered progress in its therapeutic development. Both receptors possess large ectodomains, which bind H2 relaxin, and contain an N-terminal LDLa module that is essential for receptor signalling and postulated to be a tethered agonist. Here, we show that a conserved motif (GDxxGWxxxF), C-terminal to the LDLa, is critical for receptor activity. Importantly, this motif adopts different structures in RXFP1 and RXFP2, suggesting distinct activation mechanisms. For RXFP1, the motif is flexible, weakly associates with the LDLa, and requires H2 relaxin binding to stabilize an active conformation. Conversely, the GDxxGWxxxF motif in RXFP2 is more closely associated with the LDLa, forming an essential binding interface for H2 relaxin. These differences in the activation mechanism will aid drug development targeting these receptors.

ABSTRACT The neurotensin receptor 1 (NTS 1 ) is a G protein-coupled receptor (GPCR) with promise as a drug target for the treatment of pain, schizophrenia, obesity, addiction, and various cancers. A detailed picture of the NTS 1 structural landscape has been established by X-ray crystallography and cryo-EM and yet, the molecular determinants for why a receptor couples to G protein versus arrestin transducers remain poorly defined. We used 13 C ε H 3 -methionine NMR spectroscopy to show that phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate (PIP2) promotes transducer complexation not by dramatically altering the receptor structure but by strengthening long-range allosteric connections, in the form of correlated conformational kinetics, between the orthosteric pocket and highly-conserved activation motifs. β-arrestin-1 further remodels the receptor ensemble by reducing conformational exchange kinetics for a subset of resonances, whereas G protein coupling has little to no effect on the rate. A β-arrestin biased allosteric modulator transforms the NTS 1 :G protein complex into a concatenation of substates, without triggering transducer dissociation, suggesting that it may function by stabilizing signaling incompetent G protein conformations such as the non-canonical state. Together, our work demonstrates the importance of kinetic information to a complete picture of the GPCR activation landscape.

Myalgic encephalomyelitis/chronic fatigue syndrome (ME/CFS) is a disabling condition that can affect adolescents during a vulnerable period of development. The underlying biological mechanisms for ME/CFS remain unclear and have rarely been investigated in the adolescent population, despite this period representing an age peak in the overall incidence. The primary objective of this is to provide a foundational set of biological data on adolescent ME/CFS patients. Data generated will be compared with controls and over several time points within each patient to potentially develop a biomarker signature of the disease, identify subsets or clusters of patients, and to unveil the pathomechanisms of the disease.

G-Protein Coupled Receptors (GPCRs) transmit signals across the cell membrane via an allosteric network from the ligand-binding site to the G-protein binding site via a series of conserved microswitches. Crystal structures of GPCRs provide snapshots of inactive and active states, but poorly describe the conformational dynamics of the allosteric network that underlies GPCR activation. Here we analyse the correlation between ligand binding and receptor conformation of the α1A-adrenoceptor, known for stimulating smooth muscle contraction in response to binding noradrenaline. NMR of 13CεH3-methionine labelled α1A-adrenoreceptor mutants, each exhibiting differing signalling capacities, revealed how different classes of ligands modulate receptor conformational equilibria. 13CεH3-methionine residues near the microswitches revealed distinct states that correlated with ligand efficacies, supporting a conformational selection mechanism. We propose that allosteric coupling between the microswitches controls receptor conformation and underlies the mechanism of ligand modulation of GPCR signalling in cells.

Soluble huntingtin exon 1 (Httex1) with expanded polyglutamine (polyQ) engenders neurotoxicity in Huntington's disease. To uncover the physical basis of this toxicity, we performed structural studies of soluble Httex1 for wild type and mutant polyQ lengths. Nuclear magnetic resonance experiments show evidence for conformational rigidity across the polyQ region. In contrast, hydrogen-deuterium exchange shows absence of backbone amide protection, suggesting negligible persistence of hydrogen bonds. The seemingly conflicting results are explained by all-atom simulations, which show that Httex1 adopts tadpole-like structures with a globular head encompassing the N-terminal amphipathic and polyQ regions and the tail encompassing the C-terminal proline-rich region. The surface area of the globular domain increases monotonically with polyQ length. This stimulates sharp increases in gain-of-function interactions in cells for expanded polyQ, and one of these interactions is with the stress-granule protein Fus. Our results highlight plausible connections between Httex1 structure and routes to neurotoxicity.