Cullin-RING ligases (CRLs) comprise the largest ubiquitin E3 subclass, in which a central cullin subunit links a substrate-binding adaptor with an E2-binding RING. Covalent attachment of the ubiquitin-like protein NEDD8 to a conserved C-terminal domain (ctd) lysine stimulates CRL ubiquitination activity and prevents binding of the inhibitor CAND1. Here we report striking conformational rearrangements in the crystal structure of NEDD8∼Cul5ctd-Rbx1 and SAXS analysis of NEDD8∼Cul1ctd-Rbx1 relative to their unmodified counterparts. In NEDD8ylated CRL structures, the cullin WHB and Rbx1 RING subdomains are dramatically reoriented, eliminating a CAND1-binding site and imparting multiple potential catalytic geometries to an associated E2. Biochemical analyses indicate that the structural malleability is important for both CRL NEDD8ylation and subsequent ubiquitination activities. Thus, our results point to a conformational control of CRL activity, with ligation of NEDD8 shifting equilibria to disfavor inactive CAND1-bound closed architectures, and favor dynamic, open forms that promote polyubiquitination.

We present an efficient pipeline enabling high-throughput analysis of protein structure in solution with small angle X-ray scattering (SAXS). Our SAXS pipeline combines automated sample handling of microliter volumes, temperature and anaerobic control, rapid data collection and data analysis, and couples structural analysis with automated archiving. We subjected 50 representative proteins, mostly from Pyrococcus furiosus, to this pipeline and found that 30 were multimeric structures in solution. SAXS analysis allowed us to distinguish aggregated and unfolded proteins, define global structural parameters and oligomeric states for most samples, identify shapes and similar structures for 25 unknown structures, and determine envelopes for 41 proteins. We believe that high-throughput SAXS is an enabling technology that may change the way that structural genomics research is done.

Abstract

 A major challenge in structural biology is to characterize structures of proteins and their assemblies in solution. At low resolution, such a characterization may be achieved by small angle x-ray scattering (SAXS). Because SAXS analyses often require comparing profiles calculated from many atomic models against those determined by experiment, rapid and accurate profile computation from molecular structures is needed. We developed fast open-source x-ray scattering (FoXS) for profile computation. To match the experimental profile within the experimental noise, FoXS explicitly computes all interatomic distances and implicitly models the first hydration layer of the molecule. For assessing the accuracy of the modeled hydration layer, we performed contrast variation experiments for glucose isomerase and lysozyme, and found that FoXS can accurately represent density changes of this layer. The hydration layer model was also compared with a SAXS profile calculated for the explicit water molecules in the high-resolution structures of glucose isomerase and lysozyme. We tested FoXS on eleven protein, one DNA, and two RNA structures, revealing superior accuracy and speed versus CRYSOL, AquaSAXS, the Zernike polynomials-based method, and Fast-SAXS-pro. In addition, we demonstrated a significant correlation of the SAXS score with the accuracy of a structural model. Moreover, FoXS utility for analyzing heterogeneous samples was demonstrated for intrinsically flexible XLF-XRCC4 filaments and Ligase III-DNA complex. FoXS is extensively used as a standalone web server as a component of integrative structure determination by programs IMP, Chimera, and BILBOMD, as well as in other applications that require rapidly and accurately calculated SAXS profiles.

Small angle X-ray scattering (SAXS) is an increasingly common technique for low-resolution structural characterization of molecules in solution. SAXS experiment determines the scattering intensity of a molecule as a function of spatial frequency, termed SAXS profile. SAXS profiles can contribute to many applications, such as comparing a conformation in solution with the corresponding X-ray structure, modeling a flexible or multi-modular protein, and assembling a macromolecular complex from its subunits. These applications require rapid computation of a SAXS profile from a molecular structure. FoXS (Fast X-Ray Scattering) is a rapid method for computing a SAXS profile of a given structure and for matching of the computed and experimental profiles. Here, we describe the interface and capabilities of the FoXS web server (http://salilab.org/foxs).

Small Angle X-ray Scattering (SAXS) is an increasingly common and useful technique for structural characterization of molecules in solution. A SAXS experiment determines the scattering intensity of a molecule as a function of spatial frequency, termed SAXS profile. Here, we describe three web servers for modeling atomic structures based on SAXS profiles. FoXS (Fast X-Ray Scattering) rapidly computes a SAXS profile of a given atomistic model and fits it to an experimental profile. FoXSDock docks two rigid protein structures based on a SAXS profile of their complex. MultiFoXS computes a population-weighted ensemble starting from a single input structure by fitting to a SAXS profile of the protein in solution. We describe the interfaces and capabilities of the servers (salilab.org/foxs), followed by demonstrating their application on Interleukin-33 (IL-33) and its primary receptor ST2.

In the largest E3 ligase subfamily, Cul3 binds a BTB domain, and an associated protein-interaction domain such as MATH recruits substrates for ubiquitination. Here, we present biochemical and structural analyses of the MATH-BTB protein, SPOP. We define a SPOP-binding consensus (SBC) and determine structures revealing recognition of SBCs from the phosphatase Puc, the transcriptional regulator Ci, and the chromatin component MacroH2A. We identify a dimeric SPOP-Cul3 assembly involving a conserved helical structure C-terminal of BTB domains, which we call “3-box” due to its facilitating Cul3 binding and its resemblance to F-/SOCS-boxes in other cullin-based E3s. Structural flexibility between the substrate-binding MATH and Cul3-binding BTB/3-box domains potentially allows a SPOP dimer to engage multiple SBCs found within a single substrate, such as Puc. These studies provide a molecular understanding of how MATH-BTB proteins recruit substrates to Cul3 and how their dimerization and conformational variability may facilitate avid interactions with diverse substrates.

Flexibility between domains of proteins is often critical for function. These motions and proteins with large scale flexibility in general are often not readily amenable to conventional structural analysis such as X-ray crystallography, nuclear magnetic resonance spectroscopy (NMR) or electron microscopy. A common evolution of a crystallography project, once a high resolution structure has been determined, is to postulate possible sights of flexibility. Here we describe an analysis tool using relatively inexpensive small angle X-ray scattering (SAXS) measurements to identify flexibility and validate a constructed minimal ensemble of models, which represent highly populated conformations in solution. The resolution of these results is sufficient to address the questions being asked: what kinds of conformations do the domains sample in solution? In our rigid body modeling strategy BILBOMD, molecular dynamics (MD) simulations are used to explore conformational space. A common strategy is to perform the MD simulation on the domains connections at very high temperature, where the additional kinetic energy prevents the molecule from becoming trapped in a local minimum. The MD simulations provide an ensemble of molecular models from which a SAXS curve is calculated and compared to the experimental curve. A genetic algorithm is used to identify the minimal ensemble (minimal ensemble search, MES) required to best fit the experimental data. We demonstrate the use of MES in several model and in four experimental examples.

Mutations in XPD helicase, required for nucleotide excision repair (NER) as part of the transcription/repair complex TFIIH, cause three distinct phenotypes: cancer-prone xeroderma pigmentosum (XP), or aging disorders Cockayne syndrome (CS), and trichothiodystrophy (TTD). To clarify molecular differences underlying these diseases, we determined crystal structures of the XPD catalytic core from Sulfolobus acidocaldarius and measured mutant enzyme activities. Substrate-binding grooves separate adjacent Rad51/RecA-like helicase domains (HD1, HD2) and an arch formed by 4FeS and Arch domains. XP mutations map along the HD1 ATP-binding edge and HD2 DNA-binding channel and impair helicase activity essential for NER. XP/CS mutations both impair helicase activity and likely affect HD2 functional movement. TTD mutants lose or retain helicase activity but map to sites in all four domains expected to cause framework defects impacting TFIIH integrity. These results provide a foundation for understanding disease consequences of mutations in XPD and related 4Fe-4S helicases including FancJ.

ModBase (http://salilab.org/modbase) is a database of annotated comparative protein structure models. The models are calculated by ModPipe, an automated modeling pipeline that relies primarily on Modeller for fold assignment, sequence-structure alignment, model building and model assessment (http://salilab.org/modeller/). ModBase currently contains almost 30 million reliable models for domains in 4.7 million unique protein sequences. ModBase allows users to compute or update comparative models on demand, through an interface to the ModWeb modeling server (http://salilab.org/modweb). ModBase models are also available through the Protein Model Portal (http://www.proteinmodelportal.org/). Recently developed associated resources include the AllosMod server for modeling ligand-induced protein dynamics (http://salilab.org/allosmod), the AllosMod-FoXS server for predicting a structural ensemble that fits an SAXS profile (http://salilab.org/allosmod-foxs), the FoXSDock server for protein–protein docking filtered by an SAXS profile (http://salilab.org/foxsdock), the SAXS Merge server for automatic merging of SAXS profiles (http://salilab.org/saxsmerge) and the Pose & Rank server for scoring protein–ligand complexes (http://salilab.org/poseandrank). In this update, we also highlight two applications of ModBase: a PSI:Biology initiative to maximize the structural coverage of the human alpha-helical transmembrane proteome and a determination of structural determinants of human immunodeficiency virus-1 protease specificity.

The SIBYLS beamline (12.3.1) of the Advanced Light Source at Lawrence Berkeley National Laboratory, supported by the US Department of Energy and the National Institutes of Health, is optimized for both small-angle X-ray scattering (SAXS) and macromolecular crystallography (MX), making it unique among the world's mostly SAXS or MX dedicated beamlines. Since SIBYLS was commissioned, assessments of the limitations and advantages of a combined SAXS and MX beamline have suggested new strategies for integration and optimal data collection methods and have led to additional hardware and software enhancements. Features described include a dual mode monochromator [containing both Si(111) crystals and Mo/B(4)C multilayer elements], rapid beamline optics conversion between SAXS and MX modes, active beam stabilization, sample-loading robotics, and mail-in and remote data collection. These features allow users to gain valuable insights from both dynamic solution scattering and high-resolution atomic diffraction experiments performed at a single synchrotron beamline. Key practical issues considered for data collection and analysis include radiation damage, structural ensembles, alternative conformers and flexibility. SIBYLS develops and applies efficient combined MX and SAXS methods that deliver high-impact results by providing robust cost-effective routes to connect structures to biology and by performing experiments that aid beamline designs for next generation light sources.