Abstract Limited chemical shift dispersion represents a significant barrier to studying multi-state equilibria of large membrane proteins by 19 F NMR. We describe a novel monofluoroethyl 19 F probe that dramatically increases the chemical shift dispersion. The improved conformational sensitivity and line shape enable the detection of previously unresolved states in 1D NMR spectra of a 134 kDa membrane transporter. Changes in the populations of these states in response to ligand binding, mutations, and temperature correlate with population changes of distinct conformations in structural ensembles determined by single-particle cryo-electron microscopy. Thus, 19 F NMR can guide sample preparation to discover and visualize novel conformational states and facilitate image analysis and 3D classification.

In proteins where conformational changes are functionally important, the number of accessible states and their dynamics are often difficult to establish. Here we describe a novel 19F-NMR spectroscopy approach to probe dynamics of large membrane proteins. We labeled a glutamate transporter homologue with a 19F probe via cysteine chemistry and with a Ni2+ ion via chelation by a di-histidine motif. We used distance-dependent enhancement of the longitudinal relaxation of 19F nuclei by the paramagnetic metal to assign the observed resonances. We identified two outward- and one inward-facing states of the transporter, in which the substrate-binding site is near the extracellular and intracellular solutions, respectively. We then resolved the structure of the unanticipated second outward-facing state by Cryo-EM. Finally, we showed that the rates of the conformational exchange are accessible from measurements of the metal-enhanced longitudinal relaxation of 19F nuclei.

Abstract CHCHD10 is mutated in rare cases of FTD and ALS and aggregates in mouse models of disease. Here we show that the disordered N-terminal domain of CHCHD10 forms amyloid fibrils and report their cryoEM structure. Disease-associated mutations cannot be accommodated by the WT fibril structure, while sequence differences between CHCHD10 and CHCHD2 are tolerated, explaining the co-aggregation of the two proteins and linking CHCHD10 and CHCHD2 amyloid fibrils to neurodegeneration.