New protein parameters are reported for the all-atom empirical energy function in the CHARMM program. The parameter evaluation was based on a self-consistent approach designed to achieve a balance between the internal (bonding) and interaction (nonbonding) terms of the force field and among the solvent-solvent, solvent-solute, and solute-solute interactions. Optimization of the internal parameters used experimental gas-phase geometries, vibrational spectra, and torsional energy surfaces supplemented with ab initio results. The peptide backbone bonding parameters were optimized with respect to data for N-methylacetamide and the alanine dipeptide. The interaction parameters, particularly the atomic charges, were determined by fitting ab initio interaction energies and geometries of complexes between water and model compounds that represented the backbone and the various side chains. In addition, dipole moments, experimental heats and free energies of vaporization, solvation and sublimation, molecular volumes, and crystal pressures and structures were used in the optimization. The resulting protein parameters were tested by applying them to noncyclic tripeptide crystals, cyclic peptide crystals, and the proteins crambin, bovine pancreatic trypsin inhibitor, and carbonmonoxy myoglobin in vacuo and in crystals. A detailed analysis of the relationship between the alanine dipeptide potential energy surface and calculated protein φ, χ angles was made and used in optimizing the peptide group torsional parameters. The results demonstrate that use of ab initio structural and energetic data by themselves are not sufficient to obtain an adequate backbone representation for peptides and proteins in solution and in crystals. Extensive comparisons between molecular dynamics simulations and experimental data for polypeptides and proteins were performed for both structural and dynamic properties. Energy minimization and dynamics simulations for crystals demonstrate that the latter are needed to obtain meaningful comparisons with experimental crystal structures. The presented parameters, in combination with the previously published CHARMM all-atom parameters for nucleic acids and lipids, provide a consistent set for condensed-phase simulations of a wide variety of molecules of biological interest.

All mammalian cells express 3 closely related Ras proteins, termed H-Ras, K-Ras, and N-Ras, that promote oncogenesis when they are mutationally activated at codon 12, 13, or 61. Although there is a high degree of similarity among the isoforms, K-Ras mutations are far more frequently observed in cancer, and each isoform displays preferential coupling to particular cancer types. We examined the mutational spectra of Ras isoforms curated from large-scale tumor profiling and found that each isoform exhibits surprisingly distinctive codon mutation and amino-acid substitution biases. These findings were unexpected given that these mutations occur in regions that share 100% amino-acid sequence identity among the 3 isoforms. Of importance, many of these mutational biases were not due to differences in exposure to mutagens, because the patterns were still evident when compared within specific cancer types. We discuss potential genetic and epigenetic mechanisms, as well as isoform-specific differences in protein structure and signaling, that may promote these distinct mutation patterns and differential coupling to specific cancers.

The binding sites of proteins generally contain smaller regions that provide major contributions to the binding free energy and hence are the prime targets in drug design. Screening libraries of fragment-sized compounds by NMR or X-ray crystallography demonstrates that such 'hot spot' regions bind a large variety of small organic molecules, and that a relatively high 'hit rate' is predictive of target sites that are likely to bind drug-like ligands with high affinity. Our goal is to determine the 'hot spots' computationally rather than experimentally.We have developed the FTMAP algorithm that performs global search of the entire protein surface for regions that bind a number of small organic probe molecules. The search is based on the extremely efficient fast Fourier transform (FFT) correlation approach which can sample billions of probe positions on dense translational and rotational grids, but can use only sums of correlation functions for scoring and hence is generally restricted to very simple energy expressions. The novelty of FTMAP is that we were able to incorporate and represent on grids a detailed energy expression, resulting in a very accurate identification of low-energy probe clusters. Overlapping clusters of different probes are defined as consensus sites (CSs). We show that the largest CS is generally located at the most important subsite of the protein binding site, and the nearby smaller CSs identify other important subsites. Mapping results are presented for elastase whose structure has been solved in aqueous solutions of eight organic solvents, and we show that FTMAP provides very similar information. The second application is to renin, a long-standing pharmaceutical target for the treatment of hypertension, and we show that the major CSs trace out the shape of the first approved renin inhibitor, aliskiren.FTMAP is available as a server at http://ftmap.bu.edu/.

Abstract The interaction between Ras and Raf-kinase through the Ras-binding (RBD) and cysteine-rich domains (CRD) of Raf is essential for signaling through the mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathway, yet the molecular mechanism leading to Raf activation has remained elusive. We present the 2.8 Å crystal structure of the HRas/CRaf-RBD_CRD complex showing the Ras/Raf interface as a continuous surface on Ras. In the Ras dimer, with helices roughly perpendicular to the membrane, the CRD is located between the two Ras protomers and far from the membrane, where its dynamic nature in the Ras binding pocket is expected to accommodate BRaf and CRaf heterodimers. Our structure and its analysis by MD simulations, combined with work in the literature, result in a molecular model in which Ras binding is involved in the release of Raf autoinhibition while the Ras/Raf complex dimerizes to promote a platform for signal amplification, with Raf-CRD poised to have direct and allosteric effects on both the Ras active site and the dimerization interface.

Abstract Ras dimerization is critical for Raf activation, yet Ras alone does not dimerize. Here we show that the Ras binding domain of Raf (Raf-RBD) induces robust Ras dimerization at low surface densities on supported lipid bilayers and, to a lesser extent, in solution as observed by size exclusion chromatography and confirmed by SAXS. Community network analysis based on molecular dynamics (MD) simulations show robust allosteric connections linking the two Raf-RBD D113 residues, located in the Galectin scaffold protein binding site of each Raf-RBD molecule and 85 Å apart on opposite ends of the dimer complex. Our results suggest that Raf-RBD binding and Ras dimerization are concerted events that lead to a high-affinity signaling complex at the membrane that we propose is an essential unit in the macromolecular assembly of higher order Ras/Raf/Galectin complexes important for signaling through the Ras/Raf/MEK/ERK pathway.

Abstract RAS GTPases are proto-oncoproteins that regulate cell growth, proliferation, and differentiation in response to extracellular signals. The signaling functions of RAS, and other small GTPases, are dependent on their ability to cycle between GDP-bound and GTP-bound states. Structural analyses suggest that GTP hydrolysis catalyzed by HRAS can be regulated by an allosteric site located between helices 3, 4 and loop 7. Here we explore the relationship between intrinsic GTP hydrolysis on HRAS and the position of helix 3 and loop 7 through manipulation of the allosteric site, showing that the two sites are functionally connected. We generated several hydrophobic mutations in the allosteric site of HRAS to promote shifts in helix 3 relative to helix 4. By combining crystallography and enzymology to study these mutants, we show that closure of the allosteric site correlates with increased hydrolysis of GTP on HRAS in solution. Interestingly, binding to the RAS binding domain of RAF kinase (RAF-RBD) inhibits GTP hydrolysis in the mutants. This behavior may be representative of a cluster of poorly understood mutations that occur in human tumors, which potentially cooperate with RAF complex formation to stabilize the GTP-bound state of RAS.

SUMMARY A unifying feature of the RAS superfamily is a functionally conserved GTPase cycle that proteins use to transition between active and inactive states. Here, we demonstrate that active site autophosphorylation of some small GTPases is an intrinsic regulatory mechanism that reduces nucleotide hydrolysis and enhances nucleotide exchange, thus altering the on/off switch that forms the basis for their signaling functions. Using x-ray crystallography, nuclear magnetic resonance spectroscopy, biolayer interferometry binding assays, and molecular dynamics on autophosphorylated mutants of H-RAS and K-RAS, we show that phosphoryl transfer from GTP requires dynamic movement of the switch II domain and that autophosphorylation promotes nucleotide exchange by opening of the active site and extraction of the stabilizing Mg. Finally, we demonstrate that autophosphorylated K-RAS exhibits altered effector interactions, including a reduced affinity for RAF proteins. Thus, autophosphorylation leads to altered active site dynamics and effector interaction properties, creating a pool of GTPases that are functionally distinct from the non-phosphorylated counterpart.