ABSTRACT Misfolded protein conformations with decreased functionality can bypass the proteostasis machinery and remain soluble in vivo . This is an unexpected phenomenon as several cellular quality control mechanisms have evolved to rid cells of misfolded proteins. Three questions, then, are: how is it structurally possible for long-lived, soluble, misfolded proteins to bypass the proteostasis machinery and processes? How widespread are these soluble, misfolded states across the proteome? And how long do they persist for? Here, we address these questions using coarse-grain molecular dynamics simulations of the synthesis, termination, and post-translational dynamics of a representative set of cytosolic E. coli proteins. We predict that half of all proteins exhibit subpopulations of misfolded conformations that are likely to bypass molecular chaperones, avoid aggregation, and not be rapidly degraded. These misfolded states may persist for months or longer for some proteins. Structurally characterizing these misfolded states, we observe they have a large amount of native structure, but also contain localized misfolded regions from non-native changes in entanglement, in which a protein segment threads through a loop formed by another portion of the protein that is not found in the native state. The surface properties of these misfolded states are native like, suggesting they may bypass the proteostasis machinery and its regulatory processes to remain soluble, while their entanglements make these states long-lived kinetic traps, as disentanglement requires unfolding of already folded portions of the protein. In terms of function, we predict that one-third of proteins have subpopulations that misfold into less-functional states that have structurally perturbed functional sites yet remain soluble. Data from limited-proteolysis mass spectrometry experiments, which interrogate the misfolded conformations populated by proteins upon unfolding and refolding, are consistent with the structural changes seen in the entangled states of glycerol-3-phosphate dehydrogenase upon misfolding. These results provide an explanation for how proteins can misfold into soluble conformations with reduced functionality that can bypass cellular quality controls, and indicate, unexpectedly, this may be a wide-spread phenomenon in proteomes. Such entanglements are observed in many native structures, suggesting the non-native entanglements we observe are plausible. More broadly, these near-native entangled structures suggest a hypothesis for how synonymous mutations can modulate downstream protein structure and function, with these mutations partitioning nascent proteins between these kinetically trapped states.

The concomitant folding of a nascent protein domain with its synthesis can generate mechanical forces that act on the ribosome and alter translation speed. Such changes in speed can affect the structure and function of the newly synthesized protein as well as cellular phenotype. The domain properties that govern force generation have yet to be identified and understood, and the influence of translation speed is unknown as all reported measurements have been carried out on arrested ribosomes. Here, using coarse-grained molecular simulations and statistical mechanical modeling of protein synthesis, we demonstrate that force generation is determined by a domain's stability and topology, as well as translation speed. The statistical mechanical models we create predict how force profiles depend on these properties. These results indicate that force measurements on arrested ribosomes will not always accurately reflect what happens in a cell, especially for slow-folding domains, and suggest the possibility that certain domain properties may be enriched or depleted across the structural proteome of organisms through evolutionary selection pressures to modulate protein synthesis speed and post-translational protein behavior.