Abstract Strategies for investigating and optimising the expression and folding of proteins for biotechnological and pharmaceutical purposes are in high demand. Here, we describe a dual-reporter biosensor system that simultaneously assesses in vivo protein translation and protein folding, thereby enabling rapid screening of mutant libraries. We have validated the dual-reporter system on five different proteins and find an excellent correlation between reporter intensity signals and the levels of protein expression and solubility of the proteins. We further demonstrate the applicability of the dual-reporter system as a screening assay for deep mutational scanning experiments. The system enables high throughput selection of protein variants with high expression levels and altered protein stability. Next generation sequencing analysis of the resulting libraries of protein variants show a good correlation between computationally predicted and experimentally determined protein stabilities. We furthermore show that the mutational experimental data obtained using this system may be useful for protein structure calculations.

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 Degrons are short stretches of amino acids or structural motifs that are embedded in proteins. They mediate recognition by E3 ubiquitin-protein ligases and thus confer protein degradation via the ubiquitin-proteasome system. Well-described degrons include the N-degrons, destruction boxes, and the PIP degrons, which mediate the controlled degradation of various proteins including signaling components and cell cycle regulators. In comparison, the so-called protein quality control (PQC) degrons that mediate the degradation of structurally destabilized or misfolded proteins are not well described. Here, we show that disease-linked DHFR missense variants are structurally destabilized and chaperone-dependent proteasome targets. We systematically mapped regions within DHFR to assess those that act as cytosolic PQC degrons in yeast cells. Two regions, DHFR-Deg13-36 (here Deg1) and DHFR-Deg61-84 (here Deg2), act as degrons and conferred degradation to unrelated fusion partners. The proteasomal turnover of Deg2 was dependent on the molecular chaperone Hsp70. Structural analyses by NMR and hydrogen/deuterium exchange revealed that Deg2 is buried in wild-type DHFR, but becomes transiently exposed in the disease-linked missense variants.

SUMMARY The organization of the postsynaptic density (PSD), a protein-dense semi-membraneless organelle, is mediated by numerous specific protein-protein interactions (PPIs) which constitute a functional post-synapse. Postsynaptic density protein 95 (PSD-95) interacts with a manifold of proteins, including the C-terminal of transmembrane AMPA receptor (AMAPR) regulatory proteins (TARPs). Here, we uncover the minimal essential peptide responsible for the stargazin (TARP-γ2) mediated liquid-liquid phase separation (LLPS) formation of PSD-95 and other key protein constituents of the PSD. Furthermore, we find that pharmacological inhibitors of PSD-95 can facilitate formation of LLPS. We found that in some cases LLPS formation is dependent on multivalent interactions while in other cases short peptides carrying a high charge are sufficient to promote LLPS in complex systems. This study offers a new perspective on PSD-95 interactions and their role in LLPS formation, while also considering the role of affinity over multivalency in LLPS systems.

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 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.

Many proteins display complex dynamical properties that are often intimately linked to their biological functions. As the native state of a protein is best described as an ensemble of conformations, it is important to be able to generate models of native state ensembles with high accuracy. Due to limitations in sampling efficiency and force field accuracy it is, however, challenging to obtain accurate ensembles of protein conformations by the use of molecular simulations alone. Here we show that dynamic ensemble refinement, which combines an accurate atomistic force field with commonly available nuclear magnetic resonance (NMR) chemical shifts and NOEs, can provide a detailed and accurate description of the conformational ensemble of the native state of a highly dynamic protein. As both NOEs and chemical shifts are averaged on timescales up to milliseconds, the resulting ensembles reflect the structural heterogeneity that goes beyond that probed e.g. by NMR relaxation order parameters. We selected the small protein domain NCBD as object of our study since this protein, which has been characterized experimentally in substantial detail, displays a rich and complex dynamical behaviour. In particular, the protein has been described as having a molten-globule like structure, but with a relatively rigid core. Our approach allowed us to describe the conformational dynamics of NCBD in solution, and to probe the structural heterogeneity resulting from both short- and long-timescale dynamics by the calculation of order parameters on different time scales. These results illustrate the usefulness of our approach since they show that NCBD is rather rigid on the nanosecond time-scale, but interconverts within a broader ensemble on longer timescales, thus enabling the derivation of a coherent set of conclusions from various NMR experiments on this protein, which could otherwise appear in contradiction with each other.

Abstract Slow conformational changes are often directly linked to protein function. It is however less clear how such processes may perturb the overall folding stability of a protein. We previously found that the stabilizing double mutant L49I/I57V in the small protein chymotrypsin inhibitor 2 from barley led to distributed increased nano second and faster dynamics. Here we asked what effect this mutant and the two individual mutants L49I and I57V have on the slow conformational dynamics of CI2. We used 15 N CPMG spin relaxation dispersion experiments to measure the kinetics, thermodynamics and structural changes associated with slow conformational change in CI2. These changes result in an excited state that is populated to 4.3% at 1 °C. As the temperature is increased the population of the excited state decreases. Structural changes in the transition to the excited state are associated with residues that interact with water molecules that have well defined positions and are found at these positions in all crystal structures of CI2. The mutations in CI2 have only little effect on the structure of the excited state whereas the stability of the excited state to some extent follows the stability of the main state. The minor state is thus most populated for the most stable CI2 variant and least populated for the least stable variant. We hypothesize that the interactions between the mutated residues and the well-ordered water molecules links subtle structural changes around the mutated residues to the region in the protein that experience slow conformational changes.

The stability of a protein is a fundamental property that determines under which conditions, the protein is functional. Equilibrium unfolding with denaturants requires preparation of several samples and only provides the free energy of folding when performed at a single temperature. The typical sample requirement is around 0.5 - 1 mg of protein. If the stability of many proteins or protein variants needs to be determined, substantial protein production may be needed. Here we have determined the stability of acyl-coenzyme A binding protein at pH 5.3 and chymotrypsin inhibitor 2 at pH 3 and pH 6.25 by combined temperature and denaturant unfolding. We used a setup where tryptophan fluorescence is measured in quartz capillaries where only 10 μl is needed. Temperature unfolding of a series of 15 samples at increasing denaturant concentrations provided accurate and precise thermodynamic parameters. We find that the number of samples may be further reduced and less than 10 μg of protein in total are needed for reliable stability measurements. For assessment of stability of protein purified in small scale e.g. in micro plate format, our method will be highly applicable. The routine for fitting the experimental data is made available as a python notebook.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.

Most single point mutations destabilize folded proteins. Mutations that stabilize a protein typically only have a small effect and multiple mutations are often needed to substantially increase the stability. Multiple point mutations may act synergistically on the stability, and it is not straightforward to predict their combined effect from the individual contributions. Here, we have applied an efficient in-cell assay to select variants of the barley chymotrypsin inhibitor 2 with increased stability. We find two variants that are more than 3.8 kJ/mol more stable than the wild-type. In one case the increased stability is the effect of the single substitution D55G. The other case is a double mutant, L49I/I57V, which is 5.1 kJ/mol more stable than the sum of the effects of the individual mutations. In addition to demonstrating the strength of our selection system for finding stabilizing mutations, our work also demonstrate how subtle conformational effects may modulate stability.