ABSTRACT Multimeric protein assemblies are abundant in nature. Streptavidin is an attractive protein that provides a paradigm system to investigate the intra- and intermolecular interactions of multimeric protein complexes. Also, it offers a versatile tool for biotechnological applications. Here, we present two apo-streptavidin structures, the first one is an ambient temperature Serial Femtosecond X-ray crystal (Apo-SFX) structure at 1.7 Å resolution and the second one is a cryogenic crystal structure (Apo-Cryo) at 1.1 Å resolution. These structures are mostly in agreement with previous structural data. Combined with computational analysis, these structures provide invaluable information about structural dynamics of apo streptavidin. Collectively, these data further reveal a novel cooperative allostery of streptavidin which binds to substrate via water molecules that provide a polar interaction network and mimics the substrate biotin which displays one of the strongest affinities found in nature.

Traditional X-ray diffraction data collected at cryo-temperatures have delivered invaluable insights into the three-dimensional structures of proteins, providing the backbone of structure-function studies. While cryo-cooling mitigates radiation damage, cryo-temperatures can alter protein conformational ensembles and solvent structure. Further, conformational ensembles underlie protein function and energetics, and recent advances in room-temperature X-ray crystallography have delivered conformational heterogeneity information that is directly related to biological function. The next challenge is to develop a robust and broadly applicable method to collect single-crystal X-ray diffraction data at and above room temperatures and was addressed herein. This approach provides complete diffraction datasets with total collection times as short as ~5 sec from single protein crystals, dramatically increasing the amount of data that can be collected within allocated synchrotron beam time. Its applicability was demonstrated by collecting 1.09-1.54 Å resolution data over a temperature range of 293-363 K for proteinase K, thaumatin, and lysozyme crystals. Our analyses indicate that the diffraction data is of high-quality and do not suffer from excessive dehydration or damage.

The interaction between the 4-1BB and its ligand 4-1BBL provides co-stimulatory signals for T cell activation and proliferation, but differences in the mouse and human molecules might result in differential engagement of this pathway. Here, we report the crystal structure of mouse 4-1BBL and of the mouse 4-1BB/4-1BBL complex, together provide insights into the molecular recognition of the cognate receptor by m4-1BBL. In contrast to all human or mouse TNF ligands that form non-covalent mostly trimeric assemblies, the m4-1BBL structure formed a novel disulfide linked dimeric assembly. The structure showed that certain differences in the amino acid composition along the intramolecular interface, together with two specific residues (Cys 246 and Ser 256) that are exclusively present in m4-1BBL, are responsible for unique dimerization. Unexpectedly, upon binding to m4-1BB, m4-1BBL undergoes structural changes within each protomer, in addition the individual m4-1BBL protomers rotate with respect to each other, leading to a different dimerization interface with more inter-subunit interactions. In the m4-1BB/4-1BBL complex, each receptor monomer binds exclusively to a single ligand subunit with contributions of cysteine-rich domain (CRD) 1, CRD2 and CRD3. Furthermore, structure-guided mutagenesis of the binding interface revealed that novel binding interactions with the GH loop, rather than the DE loop, are energetically critical and define the species based receptor selectivity for m4-1BBL. A comparison with the human 4-1BB/4-1BBL complex highlighted several differences between the ligand and receptor binding interfaces and provide an explanation for the absence of inter species cross-reactivity between human and mouse 4-1BB and 4-1BBL molecules.

Human cytomegalovirus (HCMV) is a β-herpesvirus that has co-evolved with the host immune system to establish lifelong persistence. HCMV encodes many immune-modulatory molecules, including the glycoprotein UL144. UL144 is a structural mimic of the TNFRSF member HVEM, which binds to various ligands LIGHT, LTα, BTLA, CD160 and gD. However, in contrast to HVEM, UL144 selectively binds to only BTLA, inhibiting T cell activation. Here, we report the crystal structure of the UL144/BTLA complex, providing key insights into the molecular mechanisms underlying this virus-host protein interaction. Our structure reveals that UL144 utilizes residues from its N-terminal CRD1 to interact with BTLA in an orientation similar, but not exactly, to that of HVEM. The structural modifications at the CRD1 region of UL144 compared to HVEM have a significant impact on the fine-tuning of BTLA-binding. In addition, the N-terminal CRD2 loop of UL144 is shorter compared to the corresponding region of HVEM, altering the relative orientation of CRD2 with respect to CRD1. Employing structure-guided mutagenesis we have identified a mutant of BTLA (L123A) that interferes with binding to HVEM while preserving interaction towards UL144. Furthermore, our results illuminate structural differences between UL144 and HVEM that explain the inability of UL144 to bind to either LIGHT or CD160. In summary, the specific molecular differences that UL144 has evolved to exclusively target BTLA highlight it as a suitable scaffold for designing superior BTLA agonists that have high potential for potently inhibiting immune responses.