Abstract The mechanism of T cell antigen receptor (TCR-CD3) signalling remains elusive. Here, we identified mutations in the transmembrane region of TCRβ or CD3ζ that augmented pMHC-induced signalling, not explicable by enhanced ligand binding, lateral diffusion, clustering or co-receptor function. Using a novel biochemical assay and molecular dynamics simulation, we demonstrated that the gain-of-function mutations loosened interaction between TCRαβ and CD3ζ. We found that, similar to the activating mutations, pMHC binding reduced TCRαβ cohesion with CD3ζ. This event occurred prior to CD3ζ phosphorylation and at 0°C. Moreover, we demonstrated that soluble monovalent pMHC alone induced signalling and reduced TCRαβ cohesion with CD3ζ in membrane-bound or solubilised TCR-CD3. Our data provide compelling evidence that pMHC binding suffices to activate allosteric changes propagating from TCRαβ to the CD3 subunits, reconfiguring interchain transmembrane region interactions. These dynamic modifications could change the arrangement of TCR-CD3 boundary lipids to licence CD3ζ phosphorylation and initiate signal propagation.

Lipopolysaccharide (LPS) is a complex glycolipid molecule that is the main lipidic component of the outer leaflet of the outer membrane of Gram-negative bacteria. It has very limited lateral motion compared to phospholipids, which are more ubiquitous in biological membranes, including in the inner leaflet of the outer membrane of Gram-negative bacteria. The slow-moving nature of LPS can present a hurdle for molecular dynamics simulations, given that the (pragmatically) accessible timescales to simulations are currently limited to microseconds, during which LPS displays some conformational dynamics but hardly any lateral diffusion. Thus, it is not feasible to observe phenomena such as insertion of molecules, including antibiotics/antimicrobials, directly into the outer membrane from the extracellular side nor to observe LPS dissociating from proteins via molecular dynamics using currently available models at the atomistic and more coarse-grained levels of granularity. Here, we present a model of deep rough LPS compatible with the Martini 2 coarse-grained force field with scaled down nonbonded interactions to enable faster diffusion. We show that the faster-diffusing LPS model is able to reproduce the salient biophysical properties of the standard models, but due to its faster lateral motion, molecules are able to penetrate deeper into membranes containing the faster model. We show that the fast ReLPS model is able to reproduce experimentally determined patterns of interaction with outer membrane proteins while also allowing for LPS to associate and dissociate with proteins within microsecond timescales. We also complete the Martini 3 LPS toolkit for

Abstract The T cell antigen receptor (TCR-CD3) complex initiates T cell activation following recognition of peptides presented by Major Histocompatibility Complex (pMHC)-encoded proteins. The ligation of pMHC to TCRαβ induces Src family kinases activity via the cytoplasmic tails of the CD3δε, CD3γε and ζζ dimers. The TCR-CD3 topology is well understood, but little is known about its conformational dynamics and arrangement of its cytoplasmic tails, limiting our grasp of the signalling mechanism. Here, we investigated the entire TCR-CD3 embedded in an asymmetric lipid bilayer using molecular modelling and multi-scale molecular dynamics simulations. Our study demonstrates conformational changes in the extracellular and transmembrane domains, and the arrangement of the TCR-CD3 cytoplasmic tails. The TCRαβ variable regions were the most flexible in the extracellular domain. The cytoplasmic tails formed highly interlaced structures while some tyrosine sidechains within the immunoreceptor tyrosine-based activation motifs (ITAMs) of the CD3ε and ζ subunits dynamically penetrated the hydrophobic core of the bilayer. Ionic interactions between the cytoplasmic tails and phosphatidylinositol phosphates (PIP 2 and PIP 3 ) in the inner leaflet of the lipid bilayer led to the formation of a distinct annular lipid fingerprint around the TCR-CD3 complex. These results combined with available experiential data increase our understanding of the TCR-CD3 activation mechanism and highlight the importance of membrane lipids in regulating T cell activation. Significance statement The T cell receptor (TCR-CD3) detects antigenic peptides displayed by major histocompatibility complexes (pMHC) to instigate activation of T cell adaptive immunity. Despite significant structural and functional knowledge of TCR-CD3 topology, the membrane interactions and dynamics of its cytoplasmic moieties remain elusive. Interactions of TCR-CD3 cytoplasmic tails with membrane lipids may regulate their phosphorylation by Src-family kinases, the first intracellular event required for T cell activation. Using the static 3D structure of TCR-CD3 resolved by cryo-electron microscopy, we provide novel insights into the protein-lipid interactions of the complete TCR-CD3 embedded in a bilayer closely mimicking its native membrane environment. Our study sheds light on the dynamics of the TCR-CD3 at near-atomic resolution and further aids in deciphering its activation mechanism.

OmpA, a predominant outer membrane (OM) protein in Escherichia coli , affects virulence, adhesion, and bacterial OM integrity. However, despite more than 50 y of research, the molecular basis for the role of OmpA has remained elusive. In this study, we demonstrate that OmpA organizes the OM protein lattice and mechanically connects it to the cell wall (CW). Using gene fusions, atomic force microscopy, simulations, and microfluidics, we show that the β-barrel domain of OmpA is critical for maintaining the permeability barrier, but both the β-barrel and CW–binding domains are necessary to enhance the cell envelope’s strength. OmpA integrates the compressive properties of the OM protein lattice with the tensile strength of the CW, forming a mechanically robust composite that increases overall integrity. This coupling likely underpins the ability of the entire envelope to function as a cohesive, resilient structure, critical for the survival of bacteria.

Lipopolysaccharide (LPS) is a complex glycolipid molecule that is the main lipidic component of the outer leaflet of the outer membrane of Gram-negative bacteria. It has very limited lateral motion compared to phospholipids, which are more ubiquitous in biological membranes, including in the inner leaflet of the outer membrane of Gram-negative bacteria. The slow-moving nature of LPS can present a hurdle for molecular dynamics simulations given the (pragmatically) accessible timescales to simulations are currently limited to microseconds, during which LPS displays some conformational dynamics, but hardly any lateral diffusion. Thus, it is not feasible to observe phenomena such as insertion of molecules, including antibiotics/antimicrobials directly into the outer membrane from the extracellular side nor to observe LPS dissociating from proteins via molecular dynamics using currently available models at the atomistic and more coarse-grained levels of granularity. Here we present a model of deep rough LPS compatible with the Martini 2 coarse-grained force field with scaled down non-bonded interactions to enable faster diffusion. We show that the faster-diffusing LPS model is able to reproduce the salient biophysical properties of the standard models, but due to its faster lateral motion, molecules are able to penetrate deeper into membranes containing the faster model. We show that faster LPS model is able to reproduce experimentally determined patterns of interaction with outer membrane proteins, while also allowing for LPS to associate/dissociate with proteins within microsecond timescales. We also complete the Martini 3 LPS toolkit for E. coli by presenting a (standard) model of deep rough LPS for this forcefield.

ABSTRACT The membrane-bound lymphocyte-specific protein-tyrosine kinase (Lck) triggers T cell antigen receptor signalling to initiate adaptive immune responses. Despite many structure-function studies, the mode of action of Lck and the potential role of plasma membrane lipids in regulating Lck’s activity remains elusive. Advances in molecular dynamics simulations of membrane proteins in complex lipid bilayers have opened a new perspective in gathering such information. Here, we have modelled the full-length Lck open and closed conformations available from crystallographic studies and simulated its interaction with the inner leaflet of the T cell plasma membrane. In both conformations, we found that the unstructured unique domain and the structured domains including the kinase interacted with the membrane with a preference for PIP lipids. Interestingly, our simulations suggest that the Lck-SH2 domain interacts with lipids differently in the open and closed Lck conformations, demonstrating that lipid interaction can potentially regulate Lck’s conformation and in turn modulate T cell signalling. Additionally, the Lck-SH2 and kinase domain residues that significantly contacted PIP lipids are found to be conserved among the Src family of kinases, thereby potentially representing similar PIP interactions within the family.

Sphingosine-1-phosphate (S1P) is a signaling lysolipid critical to heart development, immunity, and hearing. Accordingly, mutations in the S1P transporter SPNS2 are associated with reduced white cell count and hearing defects. SPNS2 also exports the S1P-mimicking FTY720-P (Fingolimod) and thereby is central to the pharmacokinetics of this drug when treating multiple sclerosis. Here, we use a combination of cryo-electron microscopy, immunofluorescence, in vitro binding and in vivo S1P export assays, and molecular dynamics simulations to probe SPNS2's substrate binding and transport. These results reveal the transporter's binding mode to its native substrate S1P, the therapeutic FTY720-P, and the reported SPNS2-targeting inhibitor 33p. Further capturing an inward-facing apo state, our structures illuminate the protein's mechanism for exchange between inward-facing and outward-facing conformations. Finally, using these structural, localization, and S1P transport results, we identify how pathogenic mutations ablate the protein's export activity and thereby lead to hearing loss.