Abstract Nonstructural protein 1 (nsp1) of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is a 180-residue protein that blocks translation of host mRNAs in SARS-CoV-2-infected cells. Although it is known that SARS-CoV-2’s own RNA evades nsp1’s host translation shutoff, the molecular mechanism underlying the evasion was poorly understood. We performed an extended ensemble molecular dynamics simulation to investigate the mechanism of the viral RNA evasion. Simulation results showed that the stem loop structure of the SARS-CoV-2 RNA 5’-untranslated region (SL1) is recognized by both nsp1’s globular region and intrinsically disordered region. The recognition presumably enables selective translation of viral RNAs. Cluster analysis of the binding mode and detailed analysis of the binding poses revealed several residues involved in the SL1 recognition mechanism. The simulation results imply that the nsp1 C-terminal helices are lifted from the 40 S ribosome upon the binding of SL1 to nsp1, unblocking translation of the viral RNA.

ABSTRACT Enhanced conformational sampling, a genetic-algorithm-guided multi-dimensional virtual-system coupled molecular dynamics, can provide equilibrated conformational distributions of a receptor protein and a flexible ligand at room temperature. The distributions provide not only the most stable but also semi-stable complex structures, and propose a ligand–receptor binding process. This method was applied to a system consisting of a receptor protein, 14-3-3ε, and a flexible peptide, phosphorylated Myeloid leukemia factor 1 (pMLF1). The results present comprehensive binding pathways of pMLF1 to 14-3-3ε. We identified four thermodynamically stable clusters of MLF1 on the 14-3-3ε surface, and free-energy barriers among some clusters. The most stable cluster includes two high-density spots connected by a narrow corridor. When pMLF1 passes the corridor, a salt-bridge relay (switching) related to the phosphorylated residue of pMLF1 occurs. Conformations in one high-density spots are similar to the experimentally determined complex structure. Three-dimensional distributions of residues in the intermolecular interface rationally explain the binding-constant changes resultant from alanine–mutation experiment for the residues. We performed a simulation of non-phosphorylated peptide and 14-3-3ε, which demonstrated that the complex structure was unstable, suggesting that phosphorylation of the peptide is crucially important for binding to 14-3-3ε.

Obtaining a comprehensive understanding of the gene regulatory networks, or gene cascades, involved in cell fate determination and cell lineage segregation in Caenorhabditis elegans is a long-standing challenge. Although RNA-sequencing (RNA-Seq) is a promising technique to resolve these questions, the bioinformatics tools to identify associated gene cascades from RNA-Seq data remain inadequate. To overcome these limitations, we developed Gene Cascade Finder (GCF) as a novel tool for building gene cascades by comparison of mutant and wild-type RNA-Seq data along with integrated information of protein-protein interactions, expression timing, and domains. Application of GCF to RNA-Seq data confirmed that SPN-4 and MEX-3 regulate the canonical Wnt pathway during embryonic development. Moreover, lin-35, hsp-3, and gpa-12 were found to be involved in MEX-1-dependent neurogenesis, and MEX-3 was found to control the gene cascade promoting neurogenesis through lin-35 and apl-1. Thus, GCF could be a useful tool for building gene cascades from RNA-Seq data.

The principle of three-dimensional protein structure formation is a long-standing conundrum in structural biology. A globular domain of a soluble protein is formed by a network of atomic contacts among amino acid residues, but regions external to globular domains, like loop and linker, often do not have intramolecular contacts with globular domains. Although these regions can play key roles for protein function as interfaces for intermolecular interactions, their nature remains unclear. Here, we termed protein segments external to globular domains as floating segments and sought for them in tens of thousands of entries in the Protein Data Bank. As a result, we found that 0.72 % of residues are in floating segments. Regarding secondary structural elements, coil structures are enriched in floating segments, especially for long segments. Interactions with polypeptides and polynucleotides, but not small compounds, are enriched in floating segments. The amino acid preferences of floating segments are similar to those of surface residues, with exceptions; the small side chain amino acids, Gly and Ala, are preferred, and some charged side chains, Arg and His, are disfavored for floating segments compared to surface residues. Our comprehensive characterization of floating segments may provide insights into understanding protein sequence-structure-function relationships.

Abstract To elucidate computationally a binding mechanism of a middle-sized flexible molecule, bosentan, to a GPCR protein, human endothelin receptor type B (hETB), a GA-guided multidimensional virtual-system coupled molecular dynamics (GA-mD-VcMD) simulation was performed. This method is one of generalized ensemble methods and produces a free-energy landscape of the ligand-receptor binding by searching large-scale motions accompanied with stably keeping the fragile cell-membrane structure. All molecular components (bosentan, hETB, membrane, and solvent) were represented with an all-atom model, and sampling was carried out from conformations where bosentan was distant from the binding site in the hETB’s binding pocket. The deepest basin in the resultant free-energy landscape was assigned to the native-like complex conformation. The obtained binding mechanism is as follows. First, bosentan fluctuating randomly in solution is captured by a tip region of the flexible N-terminal tail of hETB via nonspecific attractive interactions (fly-casting). Bosentan then occasionally slides from the tip to root of the N-terminal tail (ligand–sliding). In this sliding, bosentan passes the gate of the binding pocket from outside to inside of the pocket with accompanying a quick reduction of the molecular orientational variety of bosentan (orientational selection). Last, in the pocket, ligand–receptor attractive native contacts are formed, and eventually the native-like complex is completed. The bosentan-captured conformations by the tip- and root-regions of the N-terminal tail correspond to two basins in the free-energy landscape, and the ligand–sliding corresponds to overcoming a free-energy barrier between the basins.