Mixtures of long-chain and short-chain phosphatidylcholine (PC) were characterized by multinuclear (13C, 31P, 2H) solid-state nuclear magnetic resonance. This work complements and extends previous characterization of such mixtures by focusing on concentrated mixtures at temperatures above the gel to liquid crystalline phase transition temperature (Tm) of the long-chain PC component. Above Tm it was observed that highly oriented, bilayer-like assemblies could be formed of mixtures of dimyristoylphosphatidylcholine (DMPC) and dihexanoylphosphatidylcholine (DHPC) in molar ratios ranging from approximately 1:3.5 to 1:2 (DHPC:DMPC) over a considerable range of lipid concentrations (at least 3-40% w/v total lipid, for a 1:2.5 sample). Orientation was observed to occur only in an L alpha-like phase. The NMR data can be accounted for by a general model of the DHPC-DMPC aggregates in which DHPC can be found in two distinct populations (one highly ordered, one not). The averaged conformations of the glycerol backbone/headgroup regions of the long- and short-chain PC composing the assemblies were judged by solid-state 13C NMR to be similar to each other. The information gleaned about these mixtures and the quality of the oriented NMR spectra obtained suggest that DHPC-DMPC mixtures may prove to be useful as model membrane media in solid-state NMR studies of biomembranes.

Insights into Amyloidogenesis The amyloid-β (Aβ) peptides associated with Alzheimer's disease are generated by cleavage of the transmembrane C-terminal domain (C99) of the amyloid precursor protein by the enzyme γ-secretase. Barrett et al. (p. 1168 ) used nuclear magnetic resonance (NMR) and electron paramagnetic resonance spectroscopy to show that C99 contains surface-associated N- and C-terminal helices and a flexibly curved transmembrane helix that is well suited to processive cleavage by γ-secretase. Elevated cholesterol levels have been found to increase Aβ generation. NMR titration together with mutagenesis revealed a binding site for cholesterol within C99 that included a motif previously implicated in protein oligomerization.

Introduction: Structure of Membrane-Associated Molecules by NMR High Resolution Solid State NMR Spectroscopy of Membrane Samples 2.1. Sampling spinning methods 2.2. Mechanical orientation of bilayers 2.3. Magnetic orientation of bilayers 2.3.1. Oriented phospholipid bilayers 2.3.2. Incorporation of membrane-associated molecules 2.3.3. Future development of magnetically orientable lipid media Experimental Considerations for Magnetically-Orientable Membrane Systems 3.1. Spectrometer requirements 3.2. Isotopic labeling 3.3. Strong coupling Anisotropic Spin Interactions: The Source of Orientation-Based Structural Data 4.1. Dipolar coupling 4.2. Quadrupolar coupling 4.3. Chemical shift anisotropy 4.4. Spin relaxation Determining Structure and Dynamics of Membrane-Bound Molecules 5.1. Structure and dynamics directly from experimental measurements 5.1.1. Order matrix analysis 5.1.2. Torsion angle analysis 5.2. NMR data as structural constraints in molecular modeling 5.3. Molecular dynamics simulations followed by back calculation of data Future Prospects Acknowledgements References 421 422 422 423 423 424 429 429 430 430 430 432 432 433 433 434 436 437 437 437 438 439 440 442

Abstract SARS-CoV-2 envelope protein (S2-E) is a conserved membrane protein that is essential to coronavirus assembly and budding. Here, we describe the recombinant expression and purification of S2-E into amphipol-class amphipathic polymer solutions. The physical properties of amphipols underpin their ability to solubilize and stabilize membrane proteins without disrupting membranes. Amphipol delivery of S2-E to pre-formed planar bilayers results in spontaneous membrane integration and formation of viroporin ion channels. Amphipol delivery of the S2-E protein to human cells results in membrane integration followed by retrograde trafficking to a location adjacent to the endoplasmic reticulum-to-Golgi intermediate compartment (ERGIC) and the Golgi, which are the sites of coronavirus replication. Delivery of S2-E to cells enables both chemical biological approaches for future studies of SARS-CoV-2 pathogenesis and development of “Trojan Horse” anti-viral therapies. This work also establishes a paradigm for amphipol-mediated delivery of membrane proteins to cells.

ABSTRACT Cholesterol (CLR) is an integral component of mammalian membranes. It has been shown to modulate membrane dynamics and alter integral membrane protein (IMP) function. However, understanding the molecular mechanisms of these processes is complicated by limited and conflicting structural data: Specifically, in co-crystal structures of CLR-IMP complexes it is difficult to distinguish specific and biologically relevant CLR-IMP interactions from a nonspecific association captured by the crystallization process. The only widely recognized search algorithm for CLR-IMP interaction sites is sequence-based, i.e. searching for the so-called ‘CRAC’ or ‘CARC’ motifs. While these motifs are present in numerous IMPs, there is inconclusive evidence to support their necessity or sufficiency for CLR binding. Here we leverage the increasing number of experimental CLR-IMP structures to systematically analyze putative interaction sites based on their spatial arrangement and evolutionary conservation. From this analysis we create three-dimensional representations of general CLR interaction sites that form clusters across multiple IMP classes and classify them as being either specific or nonspecific. Information gleaned from our characterization will eventually enable a structure-based approach for prediction and design of CLR-IMP interaction sites. SIGNIFICANCE CLR plays an important role in composition and function of membranes and often surrounds and interacts with IMPs. It is a daunting challenge to disentangle CLRs dual roles as a direct modulator of IMP function through binding or indirect actor as a modulator of membrane plasticity. Only recently studies have delved into characterizing specific CLR-IMP interactions. We build on this previous work by using a combination of structural and evolutionary characteristics to distinguish specific from nonspecific CLR interaction sites. Understanding how CLR interacts with IMPs will underpin future development towards detecting and engineering CLR-IMP interaction sites.

Abstract The voltage-gated potassium channel KCNQ1 (K V 7.1) is important for the repolarizing phase of the cardiac action potential. Activators of KCNQ1 may provide a strategy for the pharmacological treatment of congenital long QT syndrome, a genetic disorder caused by pathogenic variants in KCNQ1 that promote arrhythmia susceptibility and elevate risk for sudden cardiac death. The small-molecule agonist ML277 recovers function of mutant KCNQ1 channels in human induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes and could represent a starting point for drug development. Here we investigated ML277 mode of action by developing a molecular model of the KCNQ1-ML277 interaction corroborated by experimental and computational analyses. Ligand docking and molecular dynamics simulation demonstrated that ML277 binds to the interface between the voltage sensor and pore domains in KCNQ1. Model predicted binding energies for ML277 and 62 chemical analogs of ML277 correlated with EC 50 data available for these compounds. We identified novel ML277-interacting residues on the S5 and S6 segments of KCNQ1 by performing MM/PBSA energy calculations and site-directed mutagenesis of KCNQ1 coupled to electrophysiological characterization of the generated channel mutants. Network analysis of the molecular dynamics simulations further showed that ML277 increases the allosteric coupling efficiency between residues in the voltage sensor domain and residues in the pore domain. Derivatives of ML277 that are not active on KCNQ1 fail to increase allosteric coupling efficiency in the computational simulations. Our results reveal atomic details of the ML277 modulation of KCNQ1 activation. These findings may be useful for the design of allosteric modulators of KCNQ1 and other KCNQ channels that bind at the membrane-accessible protein surface. Statement of Significance The potassium ion channel KCNQ1 contributes to the generation of electrical impulses in the heart. Heritable mutations in KCNQ1 can cause channel loss-of-function and predispose to a life-threatening cardiac arrhythmia. Small molecules that bind KCNQ1 and enhance channel function could establish a novel anti-arrhythmic drug paradigm. We used molecular simulations to investigate how a small agonist of KCNQ1 (ML277) binds to the KCNQ1 channel and increases its function. We identified amino acids that are responsible for ML277 binding and show how ML277 promotes signaling in KCNQ1 and channel opening. This work advances our understanding how KCNQ1 and possibly other potassium channels can be activated with small molecules. These data provide a framework for drug development studies.

ABSTRACT Gain-of-function (GOF) mutations in the KCNQ1 voltage-gated potassium channel can induce cardiac arrhythmia. We tested whether any of the known GOF disease mutations in KCNQ1 act by increasing the amount of KCNQ1 that reaches the cell surface—“super-trafficking”. We found that levels of R231C KCNQ1 in the plasma membrane are 5-fold higher than wild type KCNQ1. This arises from both enhanced translocon-mediated membrane integration of the S4 voltage-sensor helix and an energetic linkage of C231 with the V129 and F166 side chains. Whole-cell electrophysiology recordings confirmed that R231C KCNQ1 in complex with KCNE1 is constitutively active, but also revealed the single channel activity of this mutant to be only 20% that of WT. The GOF phenotype associated with R231C therefore reflects the net effects of super-trafficking, reduced single channel activity, and constitutive channel activation. These investigations document membrane protein super-trafficking as a contributing mechanism to human disease.

Abstract Processing of the amyloid precursor protein (APP) via the amyloidogenic pathway is associated with the etiology of Alzheimer’s disease. The cleavage of APP by β-secretase to generate the transmembrane 99-residue C-terminal fragment (C99) and subsequent processing of C99 by γ-secretase to yield amyloid-β (Aβ) peptides are essential steps in this pathway. Biochemical evidence suggests amyloidogenic processing of C99 occurs in cholesterol- and sphingolipid-enriched liquid ordered phase membrane raft domains. However, direct evidence that C99 preferentially associates with rafts has remained elusive. Here, we test this idea by quantifying the affinity of C99-GFP for raft domains in cell-derived giant plasma membrane vesicles. We find that C99 is essentially excluded from ordered domains in HeLa cells, SH-SY5Y cells and neurons, instead exhibiting a strong (roughly 90%) affinity for disordered domains. The strong association of C99 with disordered domains occurs independently of its cholesterol binding activity, homodimerization, or the familial Alzheimer disease Arctic mutation. Finally, we confirm previous studies suggesting that C99 is processed in the plasma membrane by α-secretase, in addition to the well-known γ-secretase. These findings suggest that C99 itself lacks an intrinsic affinity for raft domains, implying either that amyloidogenic processing of the protein occurs in disordered regions of the membrane, that processing involves a marginal sub-population of C99 found in rafts, or that as-yet-unidentified protein-protein interactions involving C99 in living cells drive it into rafts to promote its cleavage therein.

Abstract Peripheral myelin protein 22 (PMP22) folds and traffics inefficiently, a phenomenon closely related to the mechanisms by which this tetraspan membrane protein causes Charcot-Marie-Tooth disease (CMTD). We report that elimination of N-glycosylation results in a 3-fold increase in the cell surface trafficking of wild type (WT) PMP22 and a 10-fold increase in trafficking of the unstable L16P disease mutant form. Studies of the interactions of PMP22 with oligosaccharyltransferases A and B as well as quantitative proteomic experiments established that critical endoplasmic reticulum (ER) quality control decisions occur earlier in the biogenesis to cell surface trafficking pathway for the L16P mutant than for WT. CRISPR knock-out cell lines for ER proteins calnexin, RER1, and UGGT1 illuminated the role of each protein in glycosylation dependent and independent surface trafficking of WT PMP22, as well as for a series of disease mutants of varying folding stabilities. One Sentence Summary N-linked glycosylation was seen to dramatically limit the cell surface trafficking of PMP22, with some key quality control factors in PMP22 biogenesis being identified.

Loss-of-function (LOF) mutations in human KCNQ1 are responsible for susceptibility to a life-threatening heart rhythm disorder, the congenital long-QT syndrome (LQTS). Hundreds of KCNQ1 mutations have been identified, but the molecular mechanisms responsible for impaired function are poorly understood. Here, we investigated the impact of 51 KCNQ1 variants located within the voltage sensor domain (VSD), with an emphasis on elucidating effects on cell surface expression, protein folding and structure. For each variant, the efficiency of trafficking to the plasma membrane, the impact of proteasome inhibition, and protein stability were assayed. The results of these experiments, combined with channel functional data, provided the basis for classifying each mutation into one of 6 mechanistic categories. More than half of the KCNQ1 LOF mutations destabilize the structure of the VSD, resulting in mistrafficking and degradation by the proteasome, an observation that underscores the growing appreciation that mutation-induced destabilization of membrane proteins may be a common human disease mechanism. Finally, we observed that 5 of the folding-defective LQTS mutants are located in the VSD S0 helix, where they interact with a number of other LOF mutation sites in other segments of the VSD. These observations reveal a critical role for the S0 helix as a central scaffold to help organize and stabilize the KCNQ1 VSD and, most likely, the corresponding domain of many other ion channels.