Hermansky-Pudlak syndrome (HPS; MIM 203300) is a genetically heterogeneous disorder characterized by oculocutaneous albinism, prolonged bleeding and pulmonary fibrosis due to abnormal vesicle trafficking to lysosomes and related organelles, such as melanosomes and platelet dense granules1,2,3. In mice, at least 16 loci are associated with HPS4,5,6, including sandy (sdy; ref. 7). Here we show that the sdy mutant mouse expresses no dysbindin protein owing to a deletion in the gene Dtnbp1 (encoding dysbindin) and that mutation of the human ortholog DTNBP1 causes a novel form of HPS called HPS-7. Dysbindin is a ubiquitously expressed protein that binds to α- and β-dystrobrevins, components of the dystrophin-associated protein complex (DPC) in both muscle and nonmuscle cells8. We also show that dysbindin is a component of the biogenesis of lysosome-related organelles complex 1 (BLOC-1; refs. 9–11), which regulates trafficking to lysosome-related organelles and includes the proteins pallidin, muted and cappuccino, which are associated with HPS in mice. These findings show that BLOC-1 is important in producing the HPS phenotype in humans, indicate that dysbindin has a role in the biogenesis of lysosome-related organelles and identify unexpected interactions between components of DPC and BLOC-1.

In order to clarify the mechanism of denaturant-induced unfolding of proteins we have calculated the interactions between hydrophobic and ionic species in aqueous guanidinium chloride and urea solutions using molecular dynamics simulations. Hydrophobic association is not significantly changed in urea or guanidinium chloride solutions. The strength of interaction between ion pairs is greatly diminished by the guanidinium ion. Although the changes in electrostatic interactions in urea are small, examination of structures, using appropriate pair functions, of urea and water around the solutes show strong hydrogen bonding between urea's carbonyl oxygen and the positively charged solute. Our results strongly suggest protein denaturation occurs by the direct interaction model according to which the most commonly used denaturants unfold proteins by altering electrostatic interactions either by solvating the charged residues or by engaging in hydrogen bonds with the protein backbone. To further validate the direct interaction model we show that, in urea and guanidinium chloride solutions, unfolding of an unusually stable helix (H1) from mouse PrPC (residues 144-153) occurs by hydrogen bonding of denaturants to charged side chains and backbone carbonyl groups.

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 Subpopulations of soluble, misfolded proteins can bypass chaperones within cells. The scope of this phenomenon and the lifetimes of these states have not been experimentally quantified, and how such misfolding happens at the molecular level is poorly understood. We address the first issue through a meta-analysis of the experimental literature. We find that in all quantitative protein refolding-function studies, there is always a subpopulation of soluble but misfolded and less-functional protein that does not fold in the presence of one or more chaperones. This subpopulation ranges from 8% to 50% of the soluble protein molecules in solution. Fitting the experimental time traces to a kinetic model, we find these chaperone-bypassing misfolded states take months or longer to fold and function in the presence of different chaperones. We next addressed how, at the molecular level, some misfolded proteins can evade chaperones by simulating six different proteins interacting with E. coli ’s GroEL and HtpG chaperones when those proteins are in folded, unfolded, or long-lived, soluble, misfolded states. We observe that both chaperones strongly bind the unfolded state and weakly bind the folded and misfolded states to a similar degree. Thus, these chaperones cannot distinguish between the folded and long-lived misfolded states of these proteins. A structural analysis reveals the misfolded states are highly similar to the native state – having a similar size, amount of exposed hydrophobic surface area, and level of tertiary structure formation. These results demonstrate that in vitro it is common for appreciable subpopulations of proteins to remain misfolded, soluble, and evade the refolding action of chaperones for very long times. Further, these results suggest that this happens because these misfolded subpopulations are near-native and therefore interact with chaperones to a similar extent as properly folded proteins. More broadly, these results indicate a mechanism in which long-time scale changes in protein structure and function can persist in cells because some protein’s non-native states can bypass components of the proteostasis machinery. TEASER Near-native, misfolded protein conformations explain why some soluble proteins fail to refold in the presence of chaperones.

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, which change only the DNA sequence but not the encoded protein sequence, can affect protein structure and function, mRNA maturation, and mRNA half-lives. The possibility that synonymous mutations can act as cancer drivers has been explored in several recent studies. However, none of these studies control for all three levels (patient, histology, and gene) of mutational heterogeneity that are known to affect the accurate identification of non-synonymous cancer drivers. Here, we create an algorithm, MutSigCVsyn, an adaptation of MutSigCV, to identify synonymous cancer drivers based on a novel non-coding background model that takes into account the mutational heterogeneity across these levels. Examining 2,572 PCAWG cancer whole-genome sequences, MutSigCVsyn identifies 30 novel synonymous drivers that include mutations in promising candidates like BCL-2. By bringing the best practices in non-synonymous driver identification to the analysis of synonymous drivers, these are promising candidates for future experimental study.

Identifying the A- and P-site locations on ribosome-protected mRNA fragments from Ribo-Seq experiments is a fundamental step in the quantitative analysis of transcriptome-wide translation properties at the codon level. Many analyses of Ribo-Seq data have utilized heuristic approaches applied to a narrow range of fragment sizes to identify the A-site. In this study, we use Integer Programming to identify A-site by maximizing an objective function that reflects the fact that the ribosome's A-site on ribosome-protected fragments must reside between the second and stop codons of an mRNA. This identifies the A-site location as a function of the fragment's size and its 5' end reading frame in Ribo-Seq data generated from S. cerevisiae and mouse embryonic stem cells. The correctness of the identified A-site locations is demonstrated by showing that this method, as compared to others, yields the largest ribosome density at established stalling sites. By providing greater accuracy and utilization of a wider range of fragment sizes, our approach increases the signal-to-noise ratio of underlying biological signals associated with translation elongation at the codon length scale.

Background: Genomic data can facilitate personalized treatment decisions by enabling therapeutic hypotheses in individual patients. Conditional selection (encompassing both mutual exclusivity and co-occurrence) is commonly used to consider rare genomic variants relative to established cancer drivers. However, the direct comparison of p-values across multiple pairs of genes is confounded by the often-dramatic differences in sample size between established driver mutations and novel findings. Methods: We develop a resampling based method for the direct pairwise comparisons of conditional selection between sets of gene pairs. This effectively creates quantitative positive control guideposts of conditional selection that normalize differences in population size. We applied this method to a transcript variant of ALK in melanoma, termed ALKATI, which has been the subject of a recent controversy in the literature. We reproduced some of the original cell transformation experiments, performed rescue experiments, and analyzed drug response data to revisit the original ALKATI findings. Finding: We found that we are powered to quantitatively compare the degree of relative mutual exclusivity (down to an abundance of 10 patients in a cohort of 500) between novel gene variants and positive controls. We also found that ALKATI is not as mutually exclusive as BRAF and NRAS are with each other. Our in vitro transformation assays and rescue assays suggested that alternative transcript initiation in ALK is not likely to be necessary or sufficient for cellular transformation or growth. Interpretation: Pairwise comparisons of conditional selection represent a sensitive method of utilizing existing genomic data to directly and quantitatively compare relative levels of conditional selection. The results of using our method in ALKATI and our experiments strongly disfavor the role of ALKATI as a targetable oncogenic driver. The progress of other experimental agents in late stage melanoma and our experimental and computational re-analysis led us to conclude that further single agent testing of ALK inhibitors in patients with ALKATI should be limited to cases where no other treatment hypotheses can be identified.

Variation in translation-elongation kinetics along a transcript's coding sequence plays an important role in the maintenance of cellular protein homeostasis by regulating co-translational protein folding, localization, and maturation. Translation-elongation speed is influenced by molecular factors within mRNA and protein sequences. For example, when proline is present in the ribosome's P- or A-site translation slows down, but the effect of other pairs of amino acids, in the context of all 400 possible pairs, has not been characterized. Here, we study Saccharomyces cerevisiae using a combination of mutational experiments, bioinformatics, and evolutionary analyses, and show that many different pairs of amino acids and their associated tRNA molecules predictably and causally encode translation rate information when these pairs are present in the A- and P-sites of the ribosome independent of other factors known to influence translation speed, including mRNA structure, wobble base pairing, tripeptide motifs, positively charged upstream nascent chain residues, and cognate tRNA concentration. The fast-translating pairs of amino acids that we identify are enriched seven-fold relative to the slow-translating pairs across Saccharomyces cerevisiae 's proteome, while the slow-translating pairs are enriched downstream of domain boundaries. Thus, the chemical identity of amino acid pairs contributes to variability in translation rates, elongation kinetics are causally encoded in the primary structure of proteins, and signatures of evolutionary selection indicate their potential role in co-translational processes.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.