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 Misfolded protein conformations with decreased functionality can bypass the proteostasis machinery and remain soluble in vivo . This is an unexpected phenomenon as several cellular quality control mechanisms have evolved to rid cells of misfolded proteins. Three questions, then, are: how is it structurally possible for long-lived, soluble, misfolded proteins to bypass the proteostasis machinery and processes? How widespread are these soluble, misfolded states across the proteome? And how long do they persist for? Here, we address these questions using coarse-grain molecular dynamics simulations of the synthesis, termination, and post-translational dynamics of a representative set of cytosolic E. coli proteins. We predict that half of all proteins exhibit subpopulations of misfolded conformations that are likely to bypass molecular chaperones, avoid aggregation, and not be rapidly degraded. These misfolded states may persist for months or longer for some proteins. Structurally characterizing these misfolded states, we observe they have a large amount of native structure, but also contain localized misfolded regions from non-native changes in entanglement, in which a protein segment threads through a loop formed by another portion of the protein that is not found in the native state. The surface properties of these misfolded states are native like, suggesting they may bypass the proteostasis machinery and its regulatory processes to remain soluble, while their entanglements make these states long-lived kinetic traps, as disentanglement requires unfolding of already folded portions of the protein. In terms of function, we predict that one-third of proteins have subpopulations that misfold into less-functional states that have structurally perturbed functional sites yet remain soluble. Data from limited-proteolysis mass spectrometry experiments, which interrogate the misfolded conformations populated by proteins upon unfolding and refolding, are consistent with the structural changes seen in the entangled states of glycerol-3-phosphate dehydrogenase upon misfolding. These results provide an explanation for how proteins can misfold into soluble conformations with reduced functionality that can bypass cellular quality controls, and indicate, unexpectedly, this may be a wide-spread phenomenon in proteomes. Such entanglements are observed in many native structures, suggesting the non-native entanglements we observe are plausible. More broadly, these near-native entangled structures suggest a hypothesis for how synonymous mutations can modulate downstream protein structure and function, with these mutations partitioning nascent proteins between these kinetically trapped states.

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.

ABSTRACT Synonymous mutations in messenger RNAs (mRNAs) can reduce protein-protein binding affinities by more than half despite leaving the protein’s amino acid sequence unaltered. Here, we use coarse-grain simulations of protein synthesis, ejection from the ribosome, post-translational dynamics, and dimerization to understand how synonymous mutations can influence the dimerization of the two E. coli homodimers oligoribonuclease and ribonuclease T. We synthesize each protein from its wildtype, fastest- and slowest-translating synonymous mRNAs and calculate the ensemble-average interaction energy between the resulting dimers. We find, similar to experiments with other dimers, that oligoribonuclease’s dimerization is altered by synonymous mutations. Relative to wildtype, the dimer interaction energy becomes 4% and 10% stronger, respectively, when translated from its fastest- and slowest-translating mRNAs. Ribonuclease T dimerization, however, is insensitive to synonymous mutations. The structural and kinetic origin of these changes are misfolded states containing non-covalent lasso-entanglements, many of which structurally perturb the dimer interface, whose probability of occurrence depends on translation speed. Translation of the fast- and slow-translating mRNAs of oligoribonuclease decreases the population of these misfolded states relative to wildtype. For ribonuclease T, however, these misfolded populations are insensitive to synonymous mutations. Entanglements cause altered dimerization energies for oligoribonuclease as there is a significant association (odds ratio: 50) between non-native self-entanglements and weak-binding dimer conformations. These conclusions are independent of model resolution, as entangled structures persist in long-time-scale all-atom simulations. Thus, non-native changes in entanglement is a mechanism through which oligomer structure and function can be altered. SIGNIFICANCE STATEMENT Synonymous mutations affect a range of post-translational protein functions, including dimerization, without altering the amino acid sequence of the encoded protein. This suggests that proteins somehow retain a “memory” of their translation-elongation kinetics long after synthesis is complete. Here, we demonstrate that synonymous mutations can change the likelihood that nascent proteins misfold into self-entangled conformations. These self-entangled structures are similar to the native state but with key conformational perturbations that disrupt the dimer interface, reducing their ability to dimerize. Rearrangement of such self-entangled states to the native state is a slow process, offering a structural explanation for how translation-elongation kinetics can influence long-time-scale protein-protein binding affinities.

As the initial step in carbohydrate catabolism in cells, the substrate-specific transporters via active transport and facilitated diffusion play a decisive role in passage of sugars through the plasma membrane into the cytoplasm. The SecY complex (SecYEG) in bacteria forms a membrane channel responsible for protein translocation. This work demonstrates that weakening the sealability of the SecY channel allowed free diffusion of sugars, including glucose, fructose, mannose, xylose, arabinose, and lactose, into the engineered cells, facilitating its rapid growth on a wide spectrum of monosaccharides and bypassing/reducing stereospecificity, transport saturation, competitive inhibition, and carbon catabolite repression (CCR), which are usually encountered with the specific sugar transporters. The SecY channel is structurally conserved in prokaryotes, thus it may be engineered to serve as a unique and universal transporter for bacteria to passage sugars as demonstrated in Escherichia coli and Clostridium acetobutylicum.

Acute pancreatitis (AP) is a severe gastrointestinal condition with an increasing incidence of hyperlipidemic etiology. The investigation employed a two-sample, bidirectional Mendelian randomization method to investigate potential causal relationship between lipidome profiles, inflammatory mediators, and AP. Exploration of genetic variants across the genome in a study population of 10,630 AP cases and 844,679 non-AP individuals revealed multiple lipidome entities significantly associated with AP risk. The study identified 23 lipid species with unidirectional causal effects on AP after accounting for heterogeneity, pleiotropy, and potential reverse causation. Additionally, five inflammatory factors (CD5, IL-13, MMP-1, STAMBP, TNFRSF9) showed significant potential causal relationship with AP. Further analysis elucidated the intricate interplay between specific lipid species and inflammatory mediators in influencing AP incidence. Notably, Sterol ester (27:1/20:4) and several phosphatidylcholine species, including PC (17:0_20:4), PC (18:0_20:4), PC (18:0_20:5), and PC (O-18:2_20:4), were negatively associated with AP risk. This protective effect was partially mediated through decreased levels of inflammatory markers, particularly STAMBP and MMP-1. The study found that these phosphatidylcholines and sterol esters significantly reduced the levels of these pro-inflammatory factors, thereby potentially mitigating AP risk. Conversely, Phosphatidylinositol (16:0_18:1) demonstrated a positive association with AP risk. This detrimental effect was partially mediated by increased levels of MMP-1 and STAMBP, suggesting a pro-inflammatory mechanism. The study provides evidence that this specific phosphatidylinositol species may exacerbate AP risk by promoting inflammatory pathways. These findings elucidate the complex interplay between lipid metabolites, inflammation, and AP pathogenesis, potentially informing novel therapeutic strategies. The study highlights the utility of Mendelian randomization in uncovering potential causal relationship in AP. It underscores the requirement for further study into the molecular mechanisms underlying lipid-mediated inflammation in AP, particularly the roles of phosphatidylcholines and sterol esters in modulating inflammatory responses. Further studies are warranted to confirm our observations in laboratory models and assess their translational value in developing AP preventive and therapeutic strategies.

Previous studies have demonstrated the remarkable properties of quad-rotor-shaped two-dimensional nonfullerene acceptors (2D NFAs), which encompass exceptional electron affinity, robust sunlight absorption, effective exciton separation, and accelerated electron transfer capabilities. Naphthalene has been demonstrated to be a significant 2D fused core to construct high-performance 2D NFAs. However, synthesizing such materials through existing synthetic pathways poses a significant challenge. In this work, we designed four 2D NFAs (TEA-SIC, TEA-SIC-8F, TEA-SIC-OH, and TEA-SIC-OH-8F) with an anthracene core. These NFAs can theoretically be synthesized into a quad-rotor configuration through a seven-step synthetic process. Theoretical calculations have demonstrated that these 2D NFAs exhibit superior electron-accepting abilities, enhanced sunlight absorption, and more efficient exciton dissociation compared to Y6. Furthermore, TEA-SIC and TEA-SIC-8F exhibited impressive electron mobilities of 1.76 × 10