Abstract Our goal was to gain a better understanding of the contribution of the burial of polar groups and their hydrogen bonds to the conformational stability of proteins. We measured the change in stability, Δ(Δ G ), for a series of hydrogen bonding mutants in four proteins: villin headpiece subdomain (VHP) containing 36 residues, a surface protein from Borrelia burgdorferi (VlsE) containing 341 residues, and two proteins previously studied in our laboratory, ribonucleases Sa (RNase Sa) and T1 (RNase T1). Crystal structures were determined for three of the hydrogen bonding mutants of RNase Sa: S24A, Y51F, and T95A. The structures are very similar to wild type RNase Sa and the hydrogen bonding partners form intermolecular hydrogen bonds to water in all three mutants. We compare our results with previous studies of similar mutants in other proteins and reach the following conclusions. (1) Hydrogen bonds contribute favorably to protein stability. (2) The contribution of hydrogen bonds to protein stability is strongly context dependent. (3) Hydrogen bonds by side chains and peptide groups make similar contributions to protein stability. (4) Polar group burial can make a favorable contribution to protein stability even if the polar groups are not hydrogen bonded. (5) The contribution of hydrogen bonds to protein stability is similar for VHP, a small protein, and VlsE, a large protein.

Our goal was to gain a better understanding of the contribution of hydrophobic interactions to protein stability. We measured the change in conformational stability, Δ(ΔG), for hydrophobic mutants of four proteins: villin headpiece subdomain (VHP) with 36 residues, a surface protein from Borrelia burgdorferi (VlsE) with 341 residues, and two proteins previously studied in our laboratory, ribonucleases Sa and T1. We compared our results with those of previous studies and reached the following conclusions: (1) Hydrophobic interactions contribute less to the stability of a small protein, VHP (0.6 ± 0.3 kcal/mol per –CH2– group), than to the stability of a large protein, VlsE (1.6 ± 0.3 kcal/mol per –CH2– group). (2) Hydrophobic interactions make the major contribution to the stability of VHP (40 kcal/mol) and the major contributors are (in kilocalories per mole) Phe18 (3.9), Met13 (3.1), Phe7 (2.9), Phe11 (2.7), and Leu21 (2.7). (3) Based on the Δ(ΔG) values for 148 hydrophobic mutants in 13 proteins, burying a –CH2– group on folding contributes, on average, 1.1 ± 0.5 kcal/mol to protein stability. (4) The experimental Δ(ΔG) values for aliphatic side chains (Ala, Val, Ile, and Leu) are in good agreement with their ΔGtr values from water to cyclohexane. (5) For 22 proteins with 36 to 534 residues, hydrophobic interactions contribute 60 ± 4% and hydrogen bonds contribute 40 ± 4% to protein stability. (6) Conformational entropy contributes about 2.4 kcal/mol per residue to protein instability. The globular conformation of proteins is stabilized predominantly by hydrophobic interactions.

Abstract Experimental data about known gene functions curated from the primary literature have enormous value for research scientists in understanding biology. Using the Gene Ontology (GO), manual curation by experts has provided an important resource for studying gene function, especially within model organisms. Unprecedented expansion of the scientific literature and validation of the predicted proteins have increased both data value and the challenges of keeping pace. Capturing literature-based functional annotations is limited by the ability of biocurators to handle the massive and rapidly growing scientific literature. Within the community-oriented wiki framework for GO annotation called the Gene Ontology Normal Usage Tracking System (GONUTS), we describe an approach to expand biocuration through crowdsourcing with undergraduates. This multiplies the number of high-quality annotations in international databases, enriches our coverage of the literature on normal gene function, and pushes the field in new directions. From an intercollegiate competition judged by experienced biocurators, Community Assessment of Community Annotation with Ontologies (CACAO), we have contributed nearly 5000 literature-based annotations. Many of those annotations are to organisms not currently well-represented within GO. Over a ten-year history, our community contributors have spurred changes to the ontology not traditionally covered by professional biocurators. The CACAO principle of relying on community members to participate in and shape the future of biocuration in GO is a powerful and scalable model used to promote the scientific enterprise. It also provides undergraduate students with a unique and enriching introduction to critical reading of primary literature and acquisition of marketable skills. Significance Statement The primary scientific literature catalogs the results from publicly funded scientific research about gene function in human-readable format. Information captured from those studies in a widely adopted, machine-readable standard format comes in the form of Gene Ontology annotations about gene functions from all domains of life. Manual annotations based on inferences directly from the scientific literature, including the evidence used to make such inferences, represents the best return on investment by improving data accessibility across the biological sciences. To supplement professional curation, our CACAO project enabled annotation of the scientific literature by community annotators, in this case undergraduates, which resulted in contribution of thousands of validated entries to public resources. These annotations are now being used by scientists worldwide.