ABSTRACT MORN (Membrane Occupation and Recognition Nexus) repeat proteins have a wide taxonomic distribution, being found in both prokaryotes and eukaryotes. Despite this ubiquity, they remain poorly characterised at both a structural and a functional level compared to other common repeats. In functional terms, they are often assumed to be lipid-binding modules that mediate membrane targeting. We addressed this putative activity by focusing on a protein composed solely of MORN repeats – Trypanosoma brucei MORN1. Surprisingly, no evidence for binding to membranes or lipid vesicles by TbMORN1 could be obtained either in vivo or in vitro. Conversely, TbMORN1 did interact with individual phospholipids. High- and low-resolution structures of the MORN1 protein from Trypanosoma brucei and homologous proteins from the parasites Toxoplasma gondii and Plasmodium falciparum were obtained using a combination of macromolecular crystallography, small-angle X-ray scattering, and electron microscopy. This enabled a first structure-based definition of the MORN repeat itself. Furthermore, all three structures dimerised via their C-termini in an antiparallel configuration. The dimers could form extended or V-shaped quaternary structures depending on the presence of specific interface residues. This work provides a new perspective on MORN repeats, showing that they are protein-protein interaction modules capable of mediating both dimerisation and oligomerisation.

Abstract Cardiomyopathies, diseases of the heart muscle, are a leading cause of heart failure. An increasing proportion of cardiomyopathies have been associated with specific genetic changes, such as mutations in FLNC , the gene that codes for filamin C. Altogether, more than 300 variants of FLNC have been identified in patients, including a number of single point mutations. However, the role of a significant number of these mutations remains unknown. Here, we conducted a comprehensive analysis, starting from clinical data that led to identification of new pathogenic and non-pathogenic FLNC variants. We selected some of these variants for further characterization that included studies of in vivo effects on the morphology of neonatal cardiomyocytes to establish links to phenotype, and the in vitro thermal stability and structure determination to understand biophysical factors impacting function. We used these findings to compile vast datasets of pathogenic and non-pathogenic variant structures and developed a machine-learning-based neural network (AMIVA-F) to predict the impact of single point mutations. AMIVA-F outperformed most commonly used predictors both in disease related as well as neutral variants, approaching ∼80% accuracy. Taken together, our study documents additional FLNC variants, their biophysical and structural properties, and their link to the disease phenotype. Furthermore, we developed a state-of-the-art web-based server AMIVA-F that can be used for accurate predictions regarding the effect of single point mutations in human filamin C, with broad implications for basic and clinical research.

Abstract Sarcomeres, the basic contractile units of striated muscle cells, contain arrays of thin (actin) and thick (myosin) filaments that slide past each other during contraction. The Ig-like domain containing protein myotilin provides structural integrity to Z-discs - the boundaries between adjacent sarcomeres. Myotilin binds to Z-disc components, including F-actin and α-actinin-2, but the molecular mechanism of binding and implications of these interactions on Z-disc integrity are still elusive. We used a combination of small angle X-ray scattering, cross-linking mass spectrometry, biochemical and molecular biophysics approaches. We discovered that myotilin displays conformational ensembles in solution. We generated a structural model of the F-actin:myotilin complex that revealed how myotilin interacts with and stabilizes F-actin via its Ig-like domains and flanking regions. Mutant myotilin designed with impaired F-actin binding showed increased dynamics in cells. Structural analyses and competition assays uncovered that myotilin displaces tropomyosin from F-actin. Our findings suggest a novel role of myotilin as a co-organizer of Z-disc assembly and advance our mechanistic understanding of myotilin’s structural role in Z-discs. Significance Statement Sarcomeres are the primary structural and functional unit of striated muscles, conferring movement in all animals. The Z-disk is the boundary between adjacent sarcomeres, where actin filaments (F-actin) are anchored. Z-disc protein myotilin, is a scaffold protein, which provides structural integrity to the Z-disc by multiple interactions to its central components, including F-actin and α-actinin-2. Here we provide the structure of myotilin, revealing its structural plasticity in solution and the first integrative structural model of its complex with F-actin. We further show that myotilin displaces tropomyosin from F-actin, implying a novel role of myotilin in sarcomere biogenesis beyond being an interaction hub for Z-disk partners. Highlights ፧ Myotilin is structurally described as a dynamic ensemble ፧ Flanking regions enhance F-acting binding to tandem Ig domains ፧ Integrative structural model of myotilin bound to F-actin ፧ Myotilin displaces tropomyosin from F-actin, suggesting an organisational role in Z-disc