ABSTRACT Tardigrades are unique micro-animals that withstand harsh conditions, such as extreme temperatures and desiccation. Recently, it was found that specific cytoprotective proteins are essential for ensuring this high environmental tolerance. In particular, cytoplasmic abundant heat soluble (CAHS) proteins, which are intrinsically disordered, adopt more ordered conformations upon desiccation, and are involved in the vitrification of the cytoplasm. The design and synthesis short peptides capable of mimicking the structural behavior (and thus the cytoprotective properties) of CAHS proteins would be beneficial for potential biomedical applications, including the development of novel heat-resistant preservatives for sensitive drug formulations. As a first step in this direction, we selected several model peptides of varying lengths derived from the conserved CAHS motifs 1 and 2, which are part of the intrinsically disordered CAHS-c2 region. We then studied their structures using circular dichroism and linear and two-dimensional infrared spectroscopy in the presence of the desolvating agent TFE (2,2,2-trifluoroethanol), which mimics desiccation. We found that the CAHS model peptides are mostly disordered at 0% TFE (a result that we confirmed by molecular dynamics simulations), but adopt a more α-helical structure upon the addition of the desolvating agent, similar to what is observed for full CAHS proteins. Additionally, we employed sum frequency generation to investigate the surface activity of the peptides at the air/water interface to mimic a partial dehydration effect. Interestingly, all model peptides are surface active and also adopt a helical structure at the air/water interface. Thus, the selected sequences represent promising model peptides that show similarities in the physicochemical behavior to full CAHS proteins. Our results also suggest that arginine might be a crucial element in defining the strong propensity of these peptides to adopt a helical structure. In the future, the use CAHS model peptides to design new synthetic peptide-based materials could make it possible to mimic and exploit the cytoprotective properties of naturally occurring tardigrade proteins. SIGNIFICANCE Tardigrades are micro-animals that can survive extreme conditions such as desiccation and high temperatures. Recent work has shown that this capability is related to the presence of specific proteins that can remodel in order to protect the organism’s cells. Mimicking this behavior using small peptides that preserve the structural properties of the full proteins is highly desirable in potential biomedical applications, such as the storage of heat-sensitive drugs. Here, we study the structural properties of model peptides derived from the conserved region of cytoplastic tardigrade proteins, and show that these peptides preserve some of the conformational behavior of the full protein under drying conditions. These peptides can therefore be used as a starting point for the design of synthetic model systems based on tardigrade-inspired peptides for tailored applications.

ABSTRACT Amyloid- β (A β ) dimers are the smallest toxic species along the amyloid aggregation pathway and among the most-populated oligomeric accumulations present in the brain affected by Alzheimer’s disease (AD). A proposed therapeutic strategy to avoid the aggregation of A β into higher order structures is to develop molecules that inhibit the early stages of aggregation, i . e . dimerization. Under physiological conditions the A β dimer is highly dynamic and does not attain a single well defined structure but is rather characterized by an ensemble of conformations. In a recent work, a highly heterogeneous library of conformers of the A β dimer was generated by an efficient sampling method with constraints based on ion mobility mass spectrometry data. Here, we make use of the A β dimer library to study the interaction with two curcumin degradation products, ferulic aldehyde and vanillin, by molecular dynamics (MD) simulations. Ensemble docking and MD simulations are used to provide atomistic detail of the interactions between the curcumin degradation products and the A β dimer. The simulations show that the aromatic residues of A β , and in particular 19 FF 20 interact with ferulic aldehyde and vanillin through π−π stacking. The binding of these small molecules induces significant changes on the 16 KLVFF 20 region.

Abstract Mammalian de novo DNA methyltransferases (DNMT) are responsible for the establishment of cell-type-specific DNA methylation in healthy and diseased tissues. Through genome-wide analysis of de novo methylation activity in murine stem cells we uncover that DNMT3A prefers to methylate CpGs followed by cytosines or thymines, while DNMT3B predominantly methylates CpGs followed by guanines or adenines. These signatures are further observed at non-CpG sites, resembling methylation context observed in specialised cell types, including neurons and oocytes. We further show that these preferences are not mediated by the differential recruitment of the two de novo DNMTs to the genome but are resulting from structural differences in their catalytic domains. Molecular dynamics simulations suggest that, in case of DNMT3A, the preference is due to favourable polar interactions between the flexible Arg836 side chain and the guanine that base-pairs with the cytosine following the CpG. This context-dependent de novo DNA methylation provides additional insights into the complex regulation of methylation patterns in different cell types.

Water is known to play an important role in collagen self assembly, but it is still largely unclear how water-collagen interactions influence the assembly process and determine the fibril network properties. Here, we use the H 2 O/D 2 O isotope effect on the hydrogen-bond strength in water to investigate the role of hydration in collagen self assembly. We dissolve collagen in H 2 O and D 2 O, and compare the growth kinetics and the structure of the collagen assemblies formed in these water isotopomers. Surprisingly, collagen assembly occurs ten times faster in D 2 O than in H 2 O, and collagen in D 2 O self assembles into much thinner fibrils, that form a more inhomogeneous and softer network, with a fourfold reduction in elastic modulus compared to H 2 O. Combining spectroscopic measurements with atomistic simulations, we show that collagen in D 2 O is less hydrated than in H 2 O. This partial dehydration lowers the enthalpic penalty for water removal and reorganization at the collagen-water interface, increasing the self assembly rate and the number of nucleation centers, leading to thinner fibrils and a softer network. Coarse-grained simulations show that the acceleration in the initial nucleation rate can be reproduced by the enhancement of electrostatic interactions, which appear to be crucial in determining the acceleration of the initial nucleation rate. These results show that water acts as a mediator between collagen monomers, by moderating their interactions so as to optimize the assembly process and, thus, the final network properties. We believe that isotopically modulating the hydration of proteins can be a valuable method to investigate the role of water in protein structural dynamics and protein self assembly.

Abstract Designed Ankyrin Repeat Proteins (DARPins) are a class of antibody mimetics with a high and mostly unexplored potential in drug development. They are clinically validated and thus represent a true alternative to classical immunoglobulin formats. In contrast to immunoglobulins, they are built from solenoid protein domains comprising an N-terminal capping repeat, one or more internal repeats and a C-terminal capping repeat. By using in silico analysis and a rationally guided Ala-Scan, we identified position 17 of the N-terminal capping repeat to play a key role for the overall protein thermostability. The melting temperature of a DARPin domain with a single full-consensus internal repeat was increased by about 8°C to 10°C when the original Asp17 was replaced by Leu, Val, Ile, Met, Ala or Thr, as shown by high-temperature unfolding experiments at equilibrium. We then transferred the Asp17Leu mutation to various backgrounds, including different N- and C-terminal capping repeats and clinically validated DARPin domains, such as the VEGF-binding ankyrin repeat domain of abicipar pegol. In all cases, the proteins remained monomeric and showed improvements in the thermostability of about 8°C to 16°C. Thus, the replacement of Asp17 seems to be generically applicable to this drug class. Molecular dynamics simulations show that the Asp17Leu mutation reduces electrostatic repulsion and improves van-der-Waals packing, rendering the DARPin domain less flexible and more stable. Interestingly, such a beneficial Asp17Leu mutation is present in the N-terminal caps of three of the five DARPin domains of ensovibep, a SARS-CoV-2 entry inhibitor currently in clinical development. This mutation is likely responsible, at least in part, for the very high melting temperature (>90°C) of this promising anti-Covid-19 drug. Overall, such N-terminal capping repeats with increased thermostability seem to be beneficial for the development of innovative drugs based on DARPins.

Abstract The evolutionary conserved YidC is a unique dual-function protein that adopts insertase and chaperone conformations. The TM1 helix of Escherichia coli YidC mediates the interaction between the YidC chaperone and the Sec translocon. Here, we report the first crystal structure of Thermotoga maritima YidC (TmYidC) including the TM1 helix (PDB ID: 6Y86). The TM1 helix lies on the periplasmic side of the bilayer forming an angle of about 15 degrees with the membrane surface. Our functional studies suggest a role of TM1 for the species-specific interaction with the Sec translocon. The reconstitution data and the superimposition of TmYidC with known YidC structures suggest an active insertase conformation for YidC. Molecular dynamics (MD) simulations of TmYidC provide evidence that the TM1 helix acts as a membrane anchor for the YidC insertase and highlight the flexibility of the C1 region underlining its ability to switch between insertase and chaperone conformations. A structure-based model is proposed to rationalize how YidC performs the insertase and chaperone functions by re-positioning of the TM1 helix and the other structural elements.