Abstract Several mechanisms intrinsic to a protein’s primary structure are known to cause monomeric protein misfolding. Coarse-grained simulations, in which multiple atoms are represented by a single interaction site, have predicted a novel mechanism of misfolding exists involving off-pathway, non-covalent lasso entanglements, which are distinct from protein knots and slip knots. These misfolded states can be long-lived kinetic traps, and in some cases are structurally similar to the native state according to those simulations. Here, we examine whether such misfolded states occur in long-time-scale, physics-based all-atom simulations of protein folding. We find they do indeed form, estimate they can persist for weeks, and some have characteristics similar to the native state. Digestion patterns from Limited Proteolysis Mass Spectrometry are consistent with the presence of changes in entanglement in these proteins. These results indicate monomeric proteins can exhibit subpopulations of misfolded, self-entangled states that can explain long-timescale changes in protein structure and function in vivo . One-Sentence Summary Entangled misfolded states form in physics-based all-atom simulations of protein folding and have characteristics similar to the native state.

Abstract The speed of protein synthesis can dramatically change when consecutively charged residues are incorporated into an elongating nascent protein by the ribosome. The molecular origins of this class of allosteric coupling remain unknown. We demonstrate, using multi-scale simulations, that positively charged residues generate large forces that pull the P-site amino acid away from the A-site amino acid. Negatively charged residues generate forces of similar magnitude but opposite direction. And that these conformational changes, respectively, raise and lower the transition state barrier height to peptide bond formation, explaining how charged residues mechanochemically alter translation speed. This mechanochemical mechanism is consistent with in vivo ribosome profiling data exhibiting a proportionality between translation speed and the number of charged residues, experimental data characterizing nascent chain conformations, and a previously published cryo-EM structure of a ribosome-nascent chain complex containing consecutive lysines. These results expand the role of mechanochemistry in translation, and provide a framework for interpreting experimental results on translation speed. Abstract Figure For table of contents use only.