Abstract α-Synuclein inclusions are a pathological hallmark of several neurodegenerative diseases. Although it has been demonstrated a relationship between fibril polymorphism and different pathologies, the molecular origins of polymorphism are not understood. Employing biophysical approaches, we revealed that the conformational state of the monomeric αSyn is responsible for fibril polymorphism: αSyn adopts specific conformations at high NaCl that produce rod fibrils, and different conformations at low NaCl that generate twisted fibrils. Using NMR, we found that the high NaCl conformations establish a polar interaction between the initial part of the NAC region and a wide section of the C-terminus domain. These high NaCl conformations can be commonly promoted by changes in the chemical environment, like NaCl, the presence of Ca 2+ or cellular components, like endotoxins, that alter the interaction NAC/C-terminus domain. Our results provide mechanistic insights that explain how the behavior of the C-terminus domain imparts polymorphism during the fibril formation. Significance Statement The accumulation of the protein α-Synuclein into amyloid aggregates in the brain is a key characteristic of neurodegenerative disorders like Parkinson’s disease and multiple system atrophy. Intensive research has demonstrated that structurally different amyloid fibrils are related to the development of different diseases; however, the molecular mechanisms that originate such fibril diversity from the same protein remain unknown. In this work, we discovered that the conformational state of the monomeric αSyn, regulated by an intramolecular polar interaction NAC region/C-terminus domain, is crucial for the generation of different fibrils. Our results represent the monomeric molecular events behind the diversity of fibrils and open the conformational state of αSyn as a target to understand how the fibrils get formed in the brain.

Abstract Cyanobacteriochromes (CBCRs) are bilin-binding photosensors of the phytochrome superfamily that show remarkable spectral diversity. The green/red CBCR subfamily is important for regulating chromatic acclimation of photosynthetic antenna in cyanobacteria and is applied for optogenetic control of gene expression in synthetic biology. They are suggested to combine the bilin C15- Z /C15- E photoisomerization with a change in the bilin protonation state to drive their absorption changes. However, structural information and direct evidence of the bilin protonation state are lacking. Here we report a high-resolution (1.63Å) crystal structure of the bilin-binding domain of the chromatic acclimation sensor RcaE in the red-absorbing photoproduct state. The bilin is buried within a “pan” consisting of hydrophobic residues, where the bilin configuration/conformation is C5- Z,syn /C10- Z,syn/ C15- E,syn with the A–C rings co-planar and the D-ring tilted. Three pyrrole nitrogens of the A–C rings are covered in the α-face with a hydrophobic lid of Leu249 influencing the bilin p K a , whereas they are directly hydrogen-bonded in the β-face with the carboxyl group of Glu217. Glu217 is further connected to a cluster of waters forming a hole in the pan, which are in exchange with solvent waters in molecular dynamics simulation. We propose that the “holey pan” structure functions as a proton-exit/influx pathway upon photoconversion. NMR analysis demonstrated that the four pyrrole nitrogen atoms are indeed fully protonated in the red-absorbing state, but one of them, most likely the B-ring nitrogen, is deprotonated in the green-absorbing state. These findings deepen our understanding of the diverse spectral tuning mechanisms present in CBCRs. Significance Statement Green/red CBCRs are one of the most important CBCR subfamilies owing to their physiological roles in cyanobacteria phylum and optogenetic applications. They are known to utilize a change in the bilin protonation state to drive the marked change in green/red absorption, but the structural basis of the protochromic green/red photocycle are not well understood. Here, we have determined the crystal structure of the chromatic acclimation sensor RcaE of this subfamily in the photoproduct state, demonstrating a unique conformation of the bilin and its interacting residues. In addition, we provide direct evidence of the protonation state of the bilin via NMR analysis. These findings bring insight to our understanding of the molecular mechanisms underlying the spectral diversity of CBCRs.

Abstract To the best of our knowledge, enzymes that catalyse intramolecular Diels-Alder ([4+2] cycloaddition) reactions are frequently reported in natural product biosynthesis; however, no native enzymes utilising Lewis acid catalysis have been reported. Verticilactam is a representative member of polycyclic macrolactams, presumably produced by spontaneous cycloaddition. We report that the intramolecular [4+2] cycloadditions can be significantly accelerated by ferredoxins (Fds), a class of small iron-sulphur (Fe-S) proteins. Through iron atom substitution by Lewis acidic gallium (Ga) iron and computational calculations, we confirm that the ubiquitous Fe-S cluster efficiently functions as Lewis acid to accelerate the tandem [4+2] cycloaddition and Michael addition reactions by lowering free energy barriers. Our work highlights Nature’s ingenious strategy to generate complex molecule structures using the ubiquitous Fe-S protein. Furthermore, our study sheds light on the future design of Fd as a versatile Lewis acid catalyst for [4+2] cycloaddition reactions.

Certain cyanobacteria alter their photosynthetic light absorption between green and red, a phenomenon called complementary chromatic acclimation. The acclimation is regulated by a cyanobacteriochrome-class photosensor that reversibly photoconverts between green-absorbing (Pg) and red-absorbing (Pr) states. Here, we elucidated the structural basis of the green/red photocycle. In the Pg state, the bilin chromophore adopted the extended C15- Z , anti structure within a hydrophobic pocket. Upon photoconversion to the Pr state, the bilin is isomerized to the cyclic C15- E , syn structure, forming a water channel in the pocket. The solvation/desolvation of the bilin causes changes in the protonation state and the stability of π-conjugation at the B ring, leading to a large absorption shift. These results advance our understanding of the enormous spectral diversity of the phytochrome superfamily.