PSD-95 is a member of Membrane Associated Guanylate Kinase class of proteins which form scaffolding interactions with partner proteins including ion and receptor channels. PSD-95 is directly implicated in modulating the electrical responses of excitable cells. The first two PSD-95/Disks Large/Zona Occludens domains of PSD-95 have been shown to be the key component in the formation of channel clusters. We report crystal structures of the dual domain in both in apo and ligand-bound form; thermodynamic analysis of ligand association and Small Angle X-ray Scattering of the dual domain in the absence and presence of ligands. These experiments reveal that the ligated double domain forms a scaffold in the complete sense of the word. The concentration of the components in this study is comparable to those found in compartments of excitable cells such as the postsynaptic density and juxta-paranodes of Ranvier. The properties of the dual domain explain the basis of the scaffolding function of PSD-95, and provide a more detailed understanding of the integration of key components of neuronal specializations involved in nervous signal transmission.

ABSTRACT Pentraxin-3 (PTX3) is an octameric protein, comprised of eight identical protomers, that has diverse functions in reproductive biology, innate immunity and cancer. PTX3 interacts with the large polysaccharide hyaluronan (HA) to which heavy chains (HCs) of the inter-α-inhibitor (IαI) family of proteoglycans are covalently attached, playing a key role in the (non-covalent) crosslinking of HC•HA complexes. These interactions stabilise the cumulus matrix, essential for ovulation and fertilisation in mammals, and are also implicated in the formation of pathogenic matrices in the context of viral lung infections. To better understand the physiological and pathological roles of PTX3 we have analysed how its quaternary structure underpins HA crosslinking via its interactions with HCs. A combination of X-ray crystallography, cryo-electron microscopy (cryo-EM) and AlphaFold predictive modelling revealed that the C-terminal pentraxin domains of the PTX3 octamer are arranged in a central cube, with two long extensions on either side, each formed from four protomers assembled into tetrameric coiled-coil regions, essentially as described by (Noone et al ., 2022; doi:10.1073/pnas.2208144119). From crystallography and cryo-EM data, we identified a network of inter-protomer salt bridges that facilitate the assembly of the octamer. Small angle X-ray scattering (SAXS) validated our model for the octameric protein, including the analysis of two PTX3 constructs: a tetrameric ‘Half-PTX3’ and a construct missing the 24 N-terminal residues (Δ1-24-PTX3). SAXS determined a length of ∼520 Å for PTX3 and, combined with 3D variability analysis of cryo-EM data, defined the flexibility of the N-terminal extensions. Biophysical analyses revealed that the prototypical heavy chain HC1 does not interact with PTX3 at pH 7.4, consistent with our previous studies showing that, at this pH, PTX3 only associates with HC•HA complexes if they are formed in its presence. However, PTX3 binds to HC1 at acidic pH, and can also be incorporated into pre-formed HC•HA complexes under these conditions. This provides a novel mechanism for the regulation of PTX3-mediated HA crosslinking (e.g., during inflammation), likely mediated by a pH-dependent conformational change in HC1. The PTX3 octamer was found to associate simultaneously with up to eight HC1 molecules and, thus, has the potential to form a major crosslinking node within HC•HA matrices, i.e., where the physical and biochemical properties of resulting matrices could be tuned by the HC/PTX3 composition.

Pentraxin-3 (PTX3) is an octameric protein, comprised of eight identical protomers, that has diverse functions in reproductive biology, innate immunity and cancer. PTX3 interacts with the large polysaccharide hyaluronan (HA) to which heavy chains (HCs) of the inter-α-inhibitor (IαI) family of proteoglycans are covalently attached, playing a key role in the (non-covalent) crosslinking of HC•HA complexes. These interactions stabilise the cumulus matrix, essential for ovulation and fertilisation in mammals, and are also implicated in the formation of pathogenic matrices in the context of viral lung infections. To better understand the physiological and pathological roles of PTX3 we have analysed how its quaternary structure underpins HA crosslinking via its interactions with HCs. A combination of X-ray crystallography, cryo-electron microscopy (cryo-EM) and AlphaFold predictive modelling revealed that the C-terminal pentraxin domains of the PTX3 octamer are arranged in a central cube, with two long extensions on either side, each formed from four protomers assembled into tetrameric coiled-coil regions, essentially as described by (Noone et al., 2022; doi:10.1073/pnas.2208144119). From crystallography and cryo-EM data, we identified a network of inter-protomer salt bridges that facilitate the assembly of the octamer. Small angle X-ray scattering (SAXS) validated our model for the octameric protein, including the analysis of two PTX3 constructs: a tetrameric 'Half-PTX3' and a construct missing the 24 N-terminal residues (Δ1-24-PTX3). SAXS determined a length of ∼520 Å for PTX3 and, combined with 3D variability analysis of cryo-EM data, defined the flexibility of the N-terminal extensions. Biophysical analyses revealed that the prototypical heavy chain HC1 does not interact with PTX3 at pH 7.4, consistent with our previous studies showing that, at this pH, PTX3 only associates with HC•HA complexes if they are formed in its presence. However, PTX3 binds to HC1 at acidic pH, and can also be incorporated into pre-formed HC•HA complexes under these conditions. This provides a novel mechanism for the regulation of PTX3-mediated HA crosslinking (e.g., during inflammation), likely mediated by a pH-dependent conformational change in HC1. The PTX3 octamer was found to associate simultaneously with up to eight HC1 molecules and, thus, has the potential to form a major crosslinking node within HC•HA matrices, i.e., where the physical and biochemical properties of resulting matrices could be tuned by the HC/PTX3 composition.