A new software suite, called Crystallography & NMR System (CNS), has been developed for macromolecular structure determination by X-ray crystallography or solution nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy. In contrast to existing structure-determination programs the architecture of CNS is highly flexible, allowing for extension to other structure-determination methods, such as electron microscopy and solid-state NMR spectroscopy. CNS has a hierarchical structure: a high-level hypertext markup language (HTML) user interface, task-oriented user input files, module files, a symbolic structure-determination language (CNS language), and low-level source code. Each layer is accessible to the user. The novice user may just use the HTML interface, while the more advanced user may use any of the other layers. The source code will be distributed, thus source-code modification is possible. The CNS language is sufficiently powerful and flexible that many new algorithms can be easily implemented in the CNS language without changes to the source code. The CNS language allows the user to perform operations on data structures, such as structure factors, electron-density maps, and atomic properties. The power of the CNS language has been demonstrated by the implementation of a comprehensive set of crystallographic procedures for phasing, density modification and refinement. User-friendly task-oriented input files are available for nearly all aspects of macromolecular structure determination by X-ray crystallography and solution NMR.

Abstract

 Natural resistance to Infection with intracellular parasites is controlled by a dominant gene on mouse chromosome 1, called Bcg, Lsh, or Ity. Bcg affects the capacity of macrophages to destroy ingested intracellular parasites early during infection. We have assembled a 400 kb bacteriophage and cosmid contig within the genomic interval containing Bcg. A search for transcription units by exon amplification identified six novel genes in this contig. RNA expression studies showed that one of them, designated Nramp, was expressed exclusively in macrophage populations from reticuloendothelial organs and in the macrophage line J774A. Nramp encodes an integral membrane protein that has structural homology with known prokaryotic and eukaryotic transport systems, suggesting a macrophage-specific membrane transport function. Susceptibility to Infection (Bcg^s) in 13 Bcg^r and Bcg^s strains tested is associated with a nonconservative Gly-105 to Asp-105 substitution within predicted transmembrane domain 2 of Nramp.

The complete nucleotide and primary structure (1276 amino acids) of a full length mdr cDNA capable of conferring a complete multidrug-resistant phenotype is presented. The deduced amino acid sequence suggests that mdr is a membrane glycoprotein which includes six pairs of transmembrane domains and a cluster of potentially N-linked glycosylation sites near the amino terminus. A striking feature of the protein is an internal duplication that includes approximately 500 amino acids. Each duplicated segment includes a consensus ATP-binding site. Amino acid homology is observed between the mdr gene and a series of bacterial transport genes. This strong homology suggests that a highly conserved functional unit involved in membrane transport is present in the mdr polypeptide. We propose that an energy-dependent transport mechanism is responsible for the multidrug-resistant phenotype.

The ability of tumor cells to develop simultaneous resistance to structurally different cytotoxic drugs constitutes a major problem in cancer chemotherapy. It was previously demonstrated that multidrug-resistant Chinese hamster cell lines contain an amplified, transcriptionally active DNA sequence designated mdr. This report presents evidence that multidrug-resistant sublines of human KB carcinoma cells, selected for resistance to either colchicine, vinblastine, or Adriamycin (doxorubicin), display amplification of two different DNA sequences homologous to the hamster mdr gene. Segments of the human mdr DNA sequences, designated mdr1 and mdr2, have been cloned. mdr1 sequences were amplified in all of the highly drug-resistant sublines and were expressed as a poly(A)+ RNA species of 4.5 kilobases that was detected in the resistant cells but not in the parental cell line. No expression of mdr2 sequences was detected. mdr2 sequences were coamplified with mdr1 in some of the multidrug-resistant sublines and, in two independently derived cell lines, underwent very similar rearrangements. The data suggest that the mdr1 gene is involved in multidrug resistance in human cells.

Hexing Complement Complement activation is an immediate and potent immune defense mechanism, but how immunoglobulin G (IgG) antibodies activate complement at the molecular level is poorly understood. Using high-resolution crystallography, Diebolder et al. (p. 1260 ) show that human IgGs form hexameric structures by interacting with neighboring IgG molecules, and the complex then activates complement. Thus, IgG molecules and the complement system can coexist in the blood because complement activation will only be triggered after IgG senses a surface antigen and starts to aggregate.

P-glycoproteins (P-gps) encoded by the mouse mdr2 and mdr3 genes were expressed in secretory vesicles (SVs) from the yeast mutant sec6-4, and their capacity to function as a lipid translocase/flippase was tested. An assay that uses a fluorescent phosphatidylcholine (PC) analog was developed to quantitate asymmetric lipid distribution in the outer and inner leaflets of the lipid bilayer of these vesicles. Mdr2 expression in SVs caused a time- and temperature-dependent enhancement of PC translocation to the inner leaflet of the membrane. The Mdr2-mediated effect was specific since expression of Mdr3 in these vesicles was without effect on the membrane distribution of PC. Increased Mdr2-mediated PC translocation was strictly ATP and Mg2+ dependent, was abrogated by the ATPase inhibitor vanadate and the P-gp modulator verapamil, but was insensitive to the presence of excess of the multidrug resistance drugs colchicine and vinblastine.

Transient interactions of platelet-receptor glycoprotein Ibα (GpIbα) and the plasma protein von Willebrand factor (VWF) reduce platelet velocity at sites of vascular damage and play a role in haemostasis and thrombosis. Here we present structures of the GpIbα amino-terminal domain and its complex with the VWF domain A1. In the complex, GpIbα wraps around one side of A1, providing two contact areas bridged by an area of solvated charge interaction. The structures explain the effects of gain-of-function mutations related to bleeding disorders and provide a model for shear-induced activation. These detailed insights into the initial interactions in platelet adhesion are relevant to the development of antithrombotic drugs.

The mammalian complement system is a phylogenetically ancient cascade system that has a major role in innate and adaptive immunity. Activation of component C3 (1,641 residues) is central to the three complement pathways and results in inflammation and elimination of self and non-self targets. Here we present crystal structures of native C3 and its final major proteolytic fragment C3c. The structures reveal thirteen domains, nine of which were unpredicted, and suggest that the proteins of the α2-macroglobulin family evolved from a core of eight homologous domains. A double mechanism prevents hydrolysis of the thioester group, essential for covalent attachment of activated C3 to target surfaces. Marked conformational changes in the α-chain, including movement of a critical interaction site through a ring formed by the domains of the β-chain, indicate an unprecedented, conformation-dependent mechanism of activation, regulation and biological function of C3. The complement system is a key component of innate immunity that kills microorganisms directly. It is evolutionarily ancient, predating the immunoglobulins. The crystal structure of the human complement component C3 has now been determined. As well as revealing some of the mechanisms involved in its immune function, the structure has evolutionary implications for mammalian large multi-domain proteins in general — and it may be the largest protein structure (the longest chain and the most domains) so far determined.

The gene responsible for multidrug resistance (mdr), which encodes the P-glycoprotein, is a member of a multigene family. We have identified distinct mdr gene transcripts encoded by three separate mdr genes in the mouse. Expression levels of each mdr gene are dramatically different in various mouse tissues. Specific mdr RNA transcripts of approximately 4.5, 5, and 6 kilobases have been detected. Each of the mdr genes has a specific RNA transcript pattern. These results should be considered in relation to understanding the normal physiological function of the mdr multigene family.

Radiation damage is an inherent problem in x-ray crystallography. It usually is presumed to be nonspecific and manifested as a gradual decay in the overall quality of data obtained for a given crystal as data collection proceeds. Based on third-generation synchrotron x-ray data, collected at cryogenic temperatures, we show for the enzymes Torpedo californica acetylcholinesterase and hen egg white lysozyme that synchrotron radiation also can cause highly specific damage. Disulfide bridges break, and carboxyl groups of acidic residues lose their definition. Highly exposed carboxyls, and those in the active site of both enzymes, appear particularly susceptible. The catalytic triad residue, His-440, in acetylcholinesterase, also appears to be much more sensitive to radiation damage than other histidine residues. Our findings have direct practical implications for routine x-ray data collection at high-energy synchrotron sources. Furthermore, they provide a direct approach for studying the radiation chemistry of proteins and nucleic acids at a detailed, structural level and also may yield information concerning putative “weak links” in a given biological macromolecule, which may be of structural and functional significance.