Abstract Phase separation of heterogeneous ribonucleoproteins (hRNPs) drives the formation of membraneless organelles, but structural information about their assembled states is still lacking. Here, we address this challenge through a combination of protein engineering, native ion mobility-mass spectrometry, and molecular dynamics simulations. We used a phase separation-compatible spider silk domain and pH changes to control the self-assembly of the hRNPs FUS, TDP-43, and hCPEB3, which are implicated in neurodegeneration, cancer, and memory storage. By releasing the proteins inside the mass spectrometer from their native assemblies, we could monitor conformational changes associated with phase separation. We find that NT*-FUS monomers undergo an unfolded-to-globular transition, whereas NT*-TDP-43 oligomerizes into partially disordered dimers and trimers. NT*-hCPEB3, on the other hand, remains fully disordered with a preference for fibrillar aggregation over phase separation. The divergent assembly mechanisms result in structurally distinct complexes, indicating differences in RNA processing and translation depending on biological context.

Abstract Gaussia luciferase (GLuc) is one of the most luminescent luciferases known and is widely used as a reporter in biochemistry and cell biology. During catalysis, GLuc undergoes inactivation by irreversible covalent modification. The mechanism by which GLuc generates luminescence and how it becomes inactivated are however not known. Here, we show that GLuc unlike other enzymes has an extensively disordered structure with a minimal hydrophobic core and no apparent binding pocket for the main substrate, coelenterazine. From an alanine scan, we identified two Arg residues required for light production. These residues separated with an average of about 22 Å and a major structural rearrangement is required if they are to interact with the substrate simultaneously. We furthermore show that in addition to coelenterazine, GLuc also can oxidize furimazine, however, in this case without production of light. Both substrates result in the formation of adducts with the enzyme, which eventually leads to enzyme inactivation. Our results demonstrate that a rigid protein structure and substrate‐binding site are no prerequisites for high enzymatic activity and specificity. In addition to the increased understanding of enzymes in general, the findings will facilitate future improvement of GLuc as a reporter luciferase.

Abstract Gaussia luciferase (GLuc) is one of the most luminescent luciferases known and is widely used as a reporter in biochemistry and cell biology. During catalysis GLuc undergoes inactivation by irreversible covalent modification. The mechanism by which GLuc generates luminescence and how it becomes inactivated are however not known. Here we show that GLuc unlike other enzymes has an extensively disordered structure with a minimal hydrophobic core and no apparent binding pocket for the main substrate, coelenterazine. From an alanine scan, we identified two Arg residues required for light production. These residues separated with an average of about 22 Å and a major structural rearrangement is required if they are to interact with the substrate simultaneously. We furthermore show that in addition to coelenterazine, GLuc also can oxidize furimazine, however, in this case without production of light. Both substrates result in the formation of adducts with the enzyme, which eventually leads to enzyme inactivation. Our results demonstrate that a rigid protein structure and substrate binding site are no prerequisites for high enzymatic activity and specificity. In addition to the increased understanding of enzymes in general, the findings will facilitate future improvement of GLuc as a reporter luciferase. Significance statement Enzymes are typically characterized by an overall globular structure with a hydrophobic core and a defined cavity for binding of substrate, containing the active site amino acid residues. Gaussia Luciferase is a widely used luminescent reporter with a very strong, albeit short-lived, flash of light due to rapid auto-inactivation. We show, using solution NMR, that while this luciferase shows some secondary structure elements held together by disulfide bonds this highly unusual enzyme is extensively disordered with essentially no hydrophobic core. Although the enzymatic mechanism remains unknown, we have identified two essential arginine residues but, in the structure, these do not point into a common active site. In spite of this, the enzyme has high substrate specificity suggesting that it undergoes major structural rearrangements upon binding of substrate.

Abstract (Summary) Plasmodium falciparum has an AT-rich genome with highly biased codon and amino acid usage that is not balanced by the tRNA genes repertoire. To determine whether individual tRNA genes can be differentially expressed to compensate for the tRNA-codon imbalance, we characterized the tRNA profiles of the parasite. While we found that the parasite stably maintained a biased expression of different tRNAs throughout the intraerythrocytic cycle (IDC), the tRNA-codon imbalance remains. Specifically, the requirements for a limited tRNA subset in the codons of a gene negatively correlated with its mRNA level. A detailed analysis revealed that these observations implicate host adaptation during P. falciparum genome evolution, whereby housekeeping genes evolved to minimize dependence on exogenous amino acids, allowing these genes to mitigate the negative effects during acute nutrient deprivation. We found that these host-adapted features can derive a decentralized nutrient-dependent regulatory programme via sensing isoleucine as a proxy for nutrient stress, which causes a reduction in aminoacylated Ile-tRNA level. This, in turn, rapidly reprogrammes the global protein output and transcriptome in a targeted fashion. Our findings provide strong evidence showing that the primary sequences of proteins underlie gene expression programmes, suggesting new perspectives on protein evolution.

Abstract Protein disorder is a major hurdle for structural biology. A prominent example is the tumour suppressor p53, whose low expression levels and poor conformational stability due to a high degree of disorder pose major challenges to the development of cancer therapeutics. Here, we address these issues by fusing p53 to an engineered spider silk domain termed NT * . The chimeric protein displays highly efficient translation in vitro and in E. coli and is fully active in human cancer cells. The transmission electron microscopy structure and native mass spectrometry reveal that the full-length p53 fusion protein adopts a compact conformation. Molecular dynamics simulations show that the disordered transactivation domain of p53 is wound around the NT * domain via a series of folding events, resulting in a globular structure. We find that expression of B-Raf, another partially disordered cancer target, is similarly enhanced by fusion to NT * . In summary, we demonstrate how inducing co-translational folding via a molecular “spindle and thread” mechanism can overcome poor translation efficiency of partially disordered proteins.

Native mass spectrometry (MS) is widely employed to study the structures and assemblies of proteins ranging from small monomers to megadalton complexes. Molecular dynamics (MD) simulation is a useful complement as it provides the spatial detail that native MS cannot offer. However, MD simulations performed in the gas phase have suffered from rapidly increasing computational costs with the system size. The primary bottleneck is the calculation of electrostatic forces, which are effective over long distances and must be explicitly computed for each atom pair, precluding efficient use of methods traditionally used to accelerate condensed-phase simulations. As a result, MD simulations have been unable to match the capacity of MS in probing large multimeric protein complexes. Here, we apply the fast multipole method (FMM) for computing the electrostatic forces, recently implemented by Kohnke et al. (

Abstract Viral infections are on the rise and drugs targeting viral proteins are needed. Viroporins constitute a growing group of virus-encoded transmembrane oligomeric proteins that allow passage of small molecules across the membrane. Despite sparsity in viroporin structures, recent work has revealed diversity in both the number of transmembrane helices and oligomeric states. Here we provide evidence that the small hydrophobic protein (SH) from mumps virus is a pentameric viroporin. From extensive biophysical data, a HADDOCK model of full-length SH shows its intracellular C-terminal region to form an extended structure crucial to stabilization of the pentamer. Heterologous expression of wild type SH and variants in Xenopus laevis oocytes reveals the viroporin as a chloride channel, facilitated by conserved hydroxyl-carrying residues lining the pore. The channel function of SH is inhibited by the small-molecule BIT225, highlighting the potential for antiviral targeting through SH.

Abstract How the self-assembly of partially disordered proteins generates functional compartments in the cytoplasm and particularly in the nucleus is poorly understood. Nucleophosmin 1 (NPM1) is an abundant nucleolar protein that forms large oligomers which provide the scaffold for ribosome assembly but also prevent protein aggregation as part of the cellular stress response. Examining the relationship between the self-assembly and chaperone activity of NPM1, we find that oligomerization of full-length NPM1 modulates its ability to retard amyloid formation in vitro . Machine learning and cryo-electron microscopy reveal fuzzy interactions between the disordered region and the C-terminal nucleotide-binding domain that cross-link NPM1 pentamers into oligomers. Ribosomal peptides mediate in a tighter association within the oligomers, reducing their capacity to prevent amyloid formation. We conclude that NPM1 uses a “grappling hook” interaction to form a network-like structure whose chaperone activity is tuned by basic proteins, suggesting a regulatory mechanism for the nucleolar stress response.