α-synuclein aggregation is implicated in a variety of diseases including Parkinson’s disease, dementia with Lewy bodies, pure autonomic failure and multiple system atrophy. The association of protein aggregates made of a single protein with a variety of clinical phenotypes has been explained for prion diseases by the existence of different strains that propagate through the infection pathway. Here we structurally and functionally characterize two polymorphs of α-synuclein. We present evidence that the two forms indeed fulfil the molecular criteria to be identified as two strains of α-synuclein. Specifically, we show that the two strains have different structures, levels of toxicity, and in vitro and in vivo seeding and propagation properties. Such strain differences may account for differences in disease progression in different individuals/cell types and/or types of synucleinopathies. α-synuclein is implicated in neurodegenerative diseases. Bousset et al. generate two α-synuclein polymorphs and find differences in aggregation, function and toxicity, suggesting that these altered properties may be the cause for differences in disease progression.

Abstract Neurodegenerative disorders are frequently associated with β-sheet-rich amyloid deposits. Amyloid-forming proteins can aggregate under different structural conformations known as strains, which can exhibit a prion-like behaviour and distinct patho-phenotypes. Precise molecular determinants defining strain specificity and cross-strain interactions (cross-seeding) are currently unknown. The HET-s prion protein from the fungus Podospora anserina represents a model system to study the fundamental properties of prion amyloids. Here, we report the amyloid prion structure of HELLF, a distant homolog of the model prion HET-s. We find that these two amyloids, sharing only 17% sequence identity, have nearly identical β-solenoid folds but lack cross-seeding ability in vivo , indicating that prion specificity can differ in extremely similar amyloid folds. We engineer the HELLF sequence to explore the limits of the sequence-to-fold conservation and to pinpoint determinants of cross-seeding and prion specificity. We find that amyloid fold conservation occurs even at an exceedingly low level of identity to HET-s (5%). Next, we derive a HELLF-based sequence, termed HEC, able to breach the cross-seeding barrier in vivo between HELLF and HET-s, unveiling determinants controlling cross-seeding at residue level. These findings show that virtually identical amyloid backbone structures might not be sufficient for cross-seeding and that critical side-chain positions could determine the seeding specificity of an amyloid fold. Our work redefines the conceptual boundaries of prion strain and shed new light on key molecular features concerning an important class of pathogenic agents.

Abstract The bacterial plasma membrane is an important cellular compartment. In recent years it has become obvious that protein complexes and lipids are not uniformly distributed within membranes. Current hypotheses suggest that flotillin proteins are required for the formation of complexes of membrane proteins including cell-wall synthetic proteins. We show here that bacterial flotillins are important factors for membrane fluidity homeostasis. Loss of flotillins leads to a decrease in membrane fluidity that in turn leads to alterations in MreB dynamics and, as a consequence, in peptidoglycan synthesis. These alterations are reverted when membrane fluidity is restored by a chemical fluidizer. In vitro , the addition of a flotillin increases membrane fluidity of liposomes. Our data support a model in which flotillins are required for direct control of membrane fluidity rather than for the formation of protein complexes via direct protein-protein interactions.

Abstract Remorins are a family of multigenic phosphoproteins of the plasma membrane, involved in biotic and abiotic plant interaction mechanisms, partnering in molecular signaling cascades. Signaling activity of remorins depends on their phosphorylation states and subsequent clustering into nano-sized membrane domains. The presence of a coiled-coil domain and a C-terminal domain is crucial to anchor remorins to negatively charged membrane domains, however the exact role of the N-terminal intrinsically disordered domain (IDD) on protein clustering and lipid interactions is largely unknown. Here we combine chemical biology and imaging approaches to study the partitioning of group 1 remorin into anionic model membranes mimicking the inner leaflet of the plant plasma membrane. Using reconstituted membranes containing a mix of saturated and unsaturated PhosphatidylCholine (PC), PhosphatidylInositol Phosphates (PIPs), and sterol, we investigate the clustering of remorins to the membrane and monitor the formation of nano-sized membrane domains. REM1.3 promoted membrane nanodomain organization on the exposed external leaflet of both spherical lipid vesicles and flat supported lipid bilayers. Our results reveal that REM1.3 drives a mechanism allowing lipid reorganization, leading to the formation of remorin-enriched nanodomains. Phosphorylation of the N-terminal IDD by the calcium protein kinase CPK3 influences this clustering and can lead to the formation of smaller and more disperse domains. Our work reveals the phosphate-dependent involvement of the N-terminal IDD in the remorin-membrane interaction process by driving structural rearrangements at lipid-water interfaces. Summary heading Using reconstituted membranes, we demonstrated the clustering of the plant protein remorins StREM1.3 to the lipid bilayer external leaflet and monitor the formation of nanodomains of the protein.

Most bacterial, plant and fungal cells possess at their surface a protective layer called the cell wall, conferring strength, plasticity and rigidity to withstand the osmotic pressure. This molecular barrier is crucial for pathogenic microorganisms, as it protects the cell from the local environment and often constitutes the first structural component encountered in the host-pathogen interaction. In pathogenic molds and yeasts, the cell wall constitutes the main target for the development of clinically-relevant antifungal drugs. In the past decade, solid-state NMR has emerged as a powerful analytical technique to investigate the molecular organization of microbial cell walls in the context of intact cells.

Abstract Biofilms are bacterial communities that result from a cell differentiation process that leads to the secretion of an extracellular matrix (ECM) by part of the bacterial population. In Bacillus subtilis, the main protein component of the ECM is the functional amyloid TasA, which forms a fiber-based scaffold that confers structure to the ECM. The N-terminal half of TasA is strongly conserved among Bacillus species and contains a protein domain, the amyloid core (AcTasA), which is critical for the formation of the amyloid architecture. In this study, we demonstrate that recombinantly purified AcTasA in vitro retains biochemical properties previously observed for the entire protein. Further analysis of the AcTasA amino acid sequence revealed two amyloidogenic stretches and a region of imperfect amino acid repeats, which are known to contribute to functional amyloid assembly. Biochemical characterization of these amyloidogenic stretches found in AcTasA revealed their amyloid capacity in vitro , contributing to the amyloid nature of AcTasA. Moreover, the study of the imperfect amino acid repeats revealed the critical role of residues D64, K68 and D69 in the structural function of TasA. In vivo and in vitro experiments with versions of TasA carrying the substitutions D64A, K68A, and D69A demonstrated a partial loss of function of the protein either in the assembly of the ECM or in the stability of the core and amyloid polymerization. Taken together, our findings allow us to better understand the polymerization process of TasA during biofilm formation and provide knowledge into the sequence determinants that promote the molecular behavior of functional amyloids.

Abstract Solid-state NMR spectroscopy is a powerful technique to study insoluble and non-crystalline proteins and protein complexes at atomic resolution. The development of proton ( 1 H) detection at fast magic-angle spinning (MAS) has considerably increased the analytical capabilities of the technique, enabling the acquisition of 1 H-detected fingerprint experiments in few hours. Here an approach based on double-quantum (DQ) 13 C spectroscopy, detected on 1 H, is introduced at fast MAS (70 kHz) to perform the sequential assignment of insoluble proteins of small size, without any specific deuteration requirement. By combining two three-dimensional 1 H detected experiments correlating a 13 C DQ dimension respectively to its intra-residue and sequential 15 N- 1 H pairs, a sequential walk through DQ (Cα+CO) resonance is obtained. Our approach takes advantage of fast MAS to achieve an efficient sensitivity and the addition of a DQ dimension provides spectral features useful for the resonance assignment process.

The conformational strain diversity characterizing α-synuclein (α-syn) amyloid fibrils is possibly at the origin of the different clinical presentations of synucleinopathies. Experimentally, various α-syn fibril polymorphs have been obtained from distinct fibrillization conditions by altering the medium constituents and were selected by amyloid monitoring using the probe Thioflavin T (ThT). We report here that besides classical ThT positive products, fibrillization in saline simultaneously gives rise to competing fibril polymorphs that are invisible to ThT (stealth polymorphs), and that can take over. Due to competition, spontaneous generation of such stealth polymorphs bears on the apparent fibrillization kinetics and on the final plateau values. Their emergence has thus been ignored so far or mistaken for fibrillization inhibitions/failures. Compared to their ThT-positive counterparts, and as judged from their chemical shift resonances fingerprint, these new stealth polymorphs present a yet undescribed atomic organization and show an exacerbated propensity (approx. 20-fold) towards self-replication in cortical neurons. They also trigger a long distance synucleinopathic spread along nigro-striatal projections in vivo. In order to rapidly screen fibrillization products for the presence of such stealth polymorphs, we designed a simple multiplexed assay that can be easily and rapidly operated. This assay allows us to demonstrate the sustainability of the conformational replication of these novel and particularly invasive strains. It should also be of help to avoid erroneous upstream interpretations of fibrillization rates based on sole ThT, and to expedite further structural and functional characterization of stealth amyloid assemblies.

ABSTRACT The dynamic regulation of the plasma membrane (PM) organization at the nanoscale emerged as a key element shaping the outcome of host-microbe interactions. Protein organization into nanodomains (ND) is often assumed to be linked to the activation of cellular processes. In contrast, we have previously shown that the phosphorylation of the Solanum tuberosum REM1.3 (StREM1.3) N-terminal domain disperses its native ND organization and promotes its inhibitory effect on Potato Virus X (PVX) cell-to-cell movement. Here, we show that the phosphorylation of StREM1.3 modify the chemical environment of numerous residues in its intrinsically-disordered N-terminal domain. We leveraged exploratory screens to identify potential phosphorylation-dependent interactors of StREM1.3. Herewith, we uncovered uncharacterized regulators of PVX cell-to-cell movement, linking StREM1.3 to autophagy, water channels and the actin cytoskeleton. We show that the Solanum tuberosum actin depolymerizing factors 2 (StADF2) alters StREM1.3 NDs and limits PVX cell-to-cell movement in a REMORIN-dependent manner. Mutating a conserved single residue reported to affect ADFs affinity to actin inhibits StADF2 effect on StREM1.3 ND organization and PVX cell-to-cell movement. These observations provide functional links between the organization of plant PM and the actin cytoskeleton and suggests that the alteration of StREM1.3 ND organization promotes plant anti-viral responses. We envision that analogous PM re-organization applies for additional signaling pathways in plants and in other organisms.