NMR titration experiments are a rich source of structural, mechanistic, thermodynamic and kinetic information on biomolecular interactions, which can be extracted through the quantitative analysis of resonance lineshapes. However, applications of such analyses are frequently limited by peak overlap inherent to complex biomolecular systems. Moreover, systematic errors may arise due to the analysis of two-dimensional data using theoretical frameworks developed for one-dimensional experiments. Here we introduce a more accurate and convenient method for the analysis of such data, based on the direct quantum mechanical simulation and fitting of entire two-dimensional experiments, which we implement in a new software tool, TITAN (TITration ANalysis). We expect the approach, which we demonstrate for a variety of protein-protein and protein-ligand interactions, to be particularly useful in providing information on multi-step or multi-component interactions.

Abstract Cryogenic electron microscopy (cryo-EM) has emerged as a central tool for the determination of structures of complex biological molecules. Accurately characterising the dynamics of such systems, however, remains a challenge. To address this, we introduce cryoENsemble, a method that applies Bayesian reweighing to conformational ensembles derived from molecular dynamics simulations to improve their agreement with cryo-EM data and extract dynamics information. We illustrate the use of cryoENsemble to determine the dynamics of the ribosome-bound state of the co-translational chaperone trigger factor (TF). We also show that cryoENsemble can assist with the interpretation of low-resolution, noisy or unaccounted regions of cryo-EM maps. Notably, we are able to link an unaccounted part of the cryo-EM map to the presence of another protein (methionine aminopeptidase, or MetAP), rather than to the dynamics of TF, and model its TF-bound state. Based on these results, cryoENsemble is expected to find use for challenging heterogeneous cryo-EM maps for various biomolecular systems, especially those encompassing dynamic elements.

Molecular chaperones are central to the maintenance of proteostasis in living cells. A key member of this protein family is trigger factor (TF), which acts throughout the protein lifecycle and has a ubiquitous role as the first chaperone encountered by proteins during synthesis. However, our understanding of how TF achieves favourable interactions with such a diverse substrate base remains limited. Here, we use microfluidics to reveal the thermodynamic determinants of this process. We find that TF binding to empty 70S ribosomes is enthalpydriven, with micromolar affinity, while nanomolar affinity is achieved through a favourable entropic contribution for both intrinsically disordered and folding competent nascent chains. These findings suggest a general mechanism for co-translational TF function, which relies on occupation of the exposed TF substrate-binding groove, rather than specific complementarity between chaperone and RNC. These insights add to our wider understanding of how proteins can achieve broad substrate specificity.

NMR titration experiments are a rich source of structural, mechanistic, thermodynamic and kinetic information on biomolecular interactions, which can be extracted through the quantitative analysis of resonance lineshapes. However, applications of such analyses are frequently limited by peak overlap inherent to complex biomolecular systems. Moreover, systematic errors may arise due to the analysis of two-dimensional data using theoretical frameworks developed for one-dimensional experiments. Here we introduce a more accurate and convenient method for the analysis of such data, based on the direct quantum mechanical simulation and fitting of entire two-dimensional experiments, which we implement in a new software tool, TITAN (TITration ANalysis). We expect the approach, which we demonstrate for a variety of protein-protein and protein-ligand interactions, to be particularly useful in providing information on multi-step or multi-component interactions.

We describe an NMR approach based on the measurement of residual dipolar couplings (RDCs) to probe the structural and motional properties of the dynamical regions of the ribosome. Alignment of intact 70S ribosomes in filamentous bacteriophage enabled measurement of RDCs in the stalk protein bL12, and this direct structural information was used to refine a 3D structure of its C-terminal domain (CTD). Orientational constraints on the CTD alignment arising from the semiflexible linker were further probed by a paramagnetic alignment strategy, and provided direct experimental validation of a structural ensemble previously derived from SAXS and NMR relaxation measurements. Our results demonstrate the prospect of better characterising dynamical and functional regions of more challenging macromolecular machines and systems, for example ribosome-nascent chain complexes.

Co-translational folding is a fundamental molecular process that ensures efficient protein biosynthesis and minimizes the wasteful or hazardous formation of misfolded states. However, the complexity of this process makes it extremely challenging to obtain structural characterizations of co-translational folding pathways. Here we contrast observations in translationally-arrested nascent chains with those of a systematic C-terminal truncation strategy. We create a detailed description of chain length-dependent free energy landscapes associated with folding of the FLN5 filamin domain, in isolation and on the ribosome. By using this approach we identify and characterize two folding intermediates, including a partially folded intermediate associated with the isomerization of a conserved cis proline residue, which, together with measurements of folding kinetics, raises the prospect that neighboring unfolded domains might accumulate during biosynthesis. We develop a simple model to quantify the risk of misfolding in this situation, and show that catalysis of folding by peptidyl-prolyl isomerases is essential to eliminate this hazard.

Ribosomes maintain a healthy cellular proteome by synthesising proteins. The nascent chain (NC), emerges into the cellular milieu via the ribosomal exit tunnel, which is an active component that regulates the NC passage. How the NC dynamics at the exit tunnel affect NC folding remains to be an important question, the answer on which has strong implications to medicine. Here, we report high-resolution cryo-EM maps of ribosome nascent-chain complexes (RNCs) displaying distinct steps during biosynthesis. These RNC structures reveal a range of pathways adopted by the NC. The most pronounced diversity in the NC trajectories were found in the vestibule region. Rearrangements of several ribosomal components further suggest that these elements may actively monitor the emerging NC during translation. The ribosome-NC contacts within the vestibule define these NC pathways and modulate position of a folded immunoglobulin domain outside the ribosome.