The protein complement of cellular membranes is notoriously resistant to standard proteomic analysis and structural studies. As a result, membrane proteomes remain ill-defined. Here, we report a global topology analysis of the Escherichia coli inner membrane proteome. Using C-terminal tagging with the alkaline phosphatase and green fluorescent protein, we established the periplasmic or cytoplasmic locations of the C termini for 601 inner membrane proteins. By constraining a topology prediction algorithm with this data, we derived high-quality topology models for the 601 proteins, providing a firm foundation for future functional studies of this and other membrane proteomes. We also estimated the overexpression potential for 397 green fluorescent protein fusions; the results suggest that a large fraction of all inner membrane proteins can be produced in sufficient quantities for biochemical and structural work.

Readily synthesized maltose–neopentyl glycol (MNG) amphiphiles are useful reagents for stabilizing, extracting and crystallizing a variety of integral membrane proteins and have favorable properties relative to conventional detergents. The understanding of integral membrane protein (IMP) structure and function is hampered by the difficulty of handling these proteins. Aqueous solubilization, necessary for many types of biophysical analysis, generally requires a detergent to shield the large lipophilic surfaces of native IMPs. Many proteins remain difficult to study owing to a lack of suitable detergents. We introduce a class of amphiphiles, each built around a central quaternary carbon atom derived from neopentyl glycol, with hydrophilic groups derived from maltose. Representatives of this maltose–neopentyl glycol (MNG) amphiphile family show favorable behavior relative to conventional detergents, as manifested in multiple membrane protein systems, leading to enhanced structural stability and successful crystallization. MNG amphiphiles are promising tools for membrane protein science because of the ease with which they may be prepared and the facility with which their structures may be varied.

Oligomerization of membrane proteins in response to lipid binding has a critical role in many cell-signalling pathways but is often difficult to define or predict. Here we report the development of a mass spectrometry platform to determine simultaneously the presence of interfacial lipids and oligomeric stability and to uncover how lipids act as key regulators of membrane-protein association. Evaluation of oligomeric strength for a dataset of 125 α-helical oligomeric membrane proteins reveals an absence of interfacial lipids in the mass spectra of 12 membrane proteins with high oligomeric stability. For the bacterial homologue of the eukaryotic biogenic transporters (LeuT, one of the proteins with the lowest oligomeric stability), we found a precise cohort of lipids within the dimer interface. Delipidation, mutation of lipid-binding sites or expression in cardiolipin-deficient Escherichia coli abrogated dimer formation. Molecular dynamics simulation revealed that cardiolipin acts as a bidentate ligand, bridging across subunits. Subsequently, we show that for the Vibrio splendidus sugar transporter SemiSWEET, another protein with low oligomeric stability, cardiolipin shifts the equilibrium from monomer to functional dimer. We hypothesized that lipids are essential for dimerization of the Na+/H+ antiporter NhaA from E. coli, which has the lowest oligomeric strength, but not for the substantially more stable homologous Thermus thermophilus protein NapA. We found that lipid binding is obligatory for dimerization of NhaA, whereas NapA has adapted to form an interface that is stable without lipids. Overall, by correlating interfacial strength with the presence of interfacial lipids, we provide a rationale for understanding the role of lipids in both transient and stable interactions within a range of α-helical membrane proteins, including G-protein-coupled receptors.

Abstract Sugar porters represent the largest group of secondary-active transporters. Some members, such as the glucose (GLUT) transporters, are well-known for their role in maintaining blood glucose homeostasis in mammals, with their expression upregulated in many types of cancers. Because only a few sugar porter structures have been determined, mechanistic models have been constructed by piecing together structural states of distantly related proteins. Current GLUT transport models are predominantly descriptive and oversimplified. Here, we have combined coevolution analysis and comparative modeling, to predict structures of the entire sugar porter superfamily in each state of the transport cycle. We have analysed the state-specific contacts inferred from coevolving residue pairs and shown how this information can be used to rapidly generate free-energy landscapes consistent with experimental estimates, as illustrated here for the mammalian fructose transporter GLUT5. By comparing many different sugar porter models and scrutinizing their sequence, we have been able to define the molecular determinants of the transport cycle, which are conserved throughout the sugar porter superfamily. We have also been able to highlight differences leading to the emergence of proton-coupling, validating, and extending the previously proposed latch mechanism. Our computational approach is transferable to any transporter, and to other protein families in general.

Abstract In mammals, glucose transporters (GLUT) control organism-wide blood glucose homeostasis. In human, this is accomplished by fourteen different GLUT isoforms, that transport glucose and other monosaccharides with varying substrate preferences and kinetics. Nevertheless, there is little difference between the sugar-coordinating residues in the GLUT proteins and even the malarial plasmodium falciparum transporter Pf HT1, which is uniquely able to transport a wide range of different sugars. Pf HT1 was captured in an intermediate “occluded” state, revealing how the extracellular gating helix TM7b has moved to break and occlude the sugar-binding site. Sequence difference and kinetics indicated that the TM7b gating helix dynamics and interactions likely evolved to enable substrate promiscuity in Pf HT1, rather than the sugar-binding site itself. It was unclear, however, if the TM7b structural transitions observed in Pf HT1 would be similar in the other GLUT proteins. Here, using enhanced sampling molecular dynamics simulations, we show that the fructose transporter GLUT5 spontaneously transitions through an occluded state that closely resembles Pf HT1. The coordination of fructose lowers the energetic barriers between the outward and inward-facing states, and the observed binding mode for fructose is consistent with biochemical analysis. Rather than a substrate binding site that achieves strict specificity by having a high-affinity for the substrate, we conclude GLUT proteins have allosterically coupled sugar binding with an extracellular gate that forms the high-affinity transition-state instead. This substrate-coupling pathway presumably enables the catalysis of fast sugar flux at physiological relevant blood-glucose concentrations.

Abstract In bacteria and archaea, tripartite ATP-independent periplasmic (TRAP) transporters uptake essential carboxylate- and sulfonate-containing nutrients into the cytoplasm. Unlike other secondary active transporters, TRAP transporters cannot receive their substrates directly, but do so indirectly via a secreted soluble substrate-binding protein. How a sodium-driven secondary active transporter is strictly coupled to a passenger-carrying substrate-binding domain is poorly understood. Here, we report the cryo-EM structure of the sialic acid TRAP transporter SiaQM from Photobacterium profundum at 2.97 Å resolution. SiaM has 12-TMs that come together to form a “transport” domain and a “scaffold” domain, with the transport domain consisting of helical hairpins as seen in the sodium-coupled elevator transporter VcINDY. Interestingly, the SiaQ protein forms intimate contacts with SiaM to extend the size of the scaffold domain, indicating TRAP transporters may operate as monomers, rather than the typically observed oligomers. We have identified the Na + and sialic acid binding sites in SiaM and confirmed a strict dependence on the substrate-binding protein SiaP for uptake. We have determined the SiaP crystal structure that, together with co-evolution driven docking studies, provides a molecular basis for how sialic acid is delivered to the SiaQM transporter complex. We conclude that TRAP proteins are conceptually a marriage between an ABC importer and a secondary active transporter, which we describe herein as an ‘elevator-with-an-operator’ mechanism.

Abstract Intracellular potassium (K + ) homeostasis is fundamental to cell viability. In addition to channels, K + levels are maintained by various ion transporters. One major family is the proton-driven K + efflux transporters, which in gram-negative bacteria is important for detoxification and in plants is critical for efficient photosynthesis and growth. Despite their importance, the structure and molecular basis for K + -selectivity is poorly understood. Here, we report ~3.1 Å resolution cryo-EM structures of the Escherichia coli glutathione (GSH)-gated K + efflux transporter KefC in complex with AMP, AMP/GSH and an ion-binding variant. KefC forms a homodimer similar to the inward-facing conformation of Na + /H + antiporter NapA. By structural assignment of a coordinated K + ion, MD simulations, and SSM-based electrophysiology, we demonstrate how ion-binding in KefC is adapted for binding a dehydrated K + ion. KefC harbors C-terminal regulator of K + conductance (RCK) domains, as present in some bacterial K + -ion channels. The domain-swapped helices in the RCK domains bind AMP and GSH and they inhibit transport by directly interacting with the ion-transporter module. Taken together, we propose that KefC is activated by detachment of the RCK domains and that ion selectivity exploits the biophysical properties likewise adapted by K + -ion-channels.

Integral membrane proteins carry out essential functions in the cell, and their activities are often modulated by specific protein-lipid interactions in the membrane. Here, we elucidate the intricate role of cardiolipin (CDL), a regulatory lipid, as a stabilizer of membrane proteins and their complexes. Using the in silico-designed model protein TMHC4_R (ROCKET) as a scaffold, we employ a combination of molecular dynamics simulations and native mass spectrometry to explore the protein features that facilitate preferential lipid interactions and mediate stabilization. We reveal that the spatial arrangement of positively charged residues as well as local conformational flexibility are pivotal in distinguishing stabilizing from non-stabilizing CDL interactions. Extending our insights to naturally occurring proteins, we identify a stabilizing CDL site within the E. coli rhomboid intramembrane protease GlpG and uncover its regulatory influence on enzyme substrate preference. This work establishes a framework for engineering functional lipid interactions, paving the way for the design of proteins with membrane-specific properties or functions.

The decoration of secretory glycoproteins and glycolipids with sialic acid is critical to many physiological and pathological processes. Sialyation is dependent on a continuous supply of sialic acid into Golgi organelles in the form of CMP-sialic acid. Translocation of CMP-sialic acid into Golgi is carried out by the CMP-sialic acid transporter (CST). Mutations in human CST are linked to glycosylation disorders, and CST is important for glycopathway engineering, as it is critical for sialyation efficiency of therapeutic glycoproteins. The mechanism of how CMP-sialic acid is recognized and translocated across Golgi membranes in exchange for CMP is poorly understood. Here we have determined the crystal structure of a eukaryotic CMP-sialic acid transporter in complex with CMP. We conclude that the specificity of CST for CMP-sialic acid is established by the nucleotide CMP to such an extent, they are uniquely able to work both as passive and as (secondary) active antiporters.