Abstract The AlphaFold Protein Structure Database contains predicted structures for millions of proteins. For the majority of human proteins that contain intrinsically disordered regions (IDRs), which do not adopt a stable structure, it is generally assumed these regions have low AlphaFold2 confidence scores that reflect low-confidence structural predictions. Here, we show that AlphaFold2 assigns confident structures to nearly 15% of human IDRs. By comparison to experimental NMR data for a subset of IDRs that are known to conditionally fold (i.e., upon binding or under other specific conditions), we find that AlphaFold2 often predicts the structure of the conditionally folded state. Based on databases of IDRs that are known to conditionally fold, we estimate that AlphaFold2 can identify conditionally folding IDRs at a precision as high as 88% at a 10% false positive rate, which is remarkable considering that conditionally folded IDR structures were minimally represented in its training data. We find that human disease mutations are nearly 5-fold enriched in conditionally folded IDRs over IDRs in general, and that up to 80% of IDRs in prokaryotes are predicted to conditionally fold, compared to less than 20% of eukaryotic IDRs. These results indicate that a large majority of IDRs in the proteomes of human and other eukaryotes function in the absence of conditional folding, but the regions that do acquire folds are more sensitive to mutations. We emphasize that the AlphaFold2 predictions do not reveal functionally relevant structural plasticity within IDRs and cannot offer realistic ensemble representations of conditionally folded IDRs. Significance Statement AlphaFold2 and other machine learning-based methods can accurately predict the structures of most proteins. However, nearly two-thirds of human proteins contain segments that are highly flexible and do not autonomously fold, otherwise known as intrinsically disordered regions (IDRs). In general, IDRs interconvert rapidly between a large number of different conformations, posing a significant problem for protein structure prediction methods that define one or a small number of stable conformations. Here, we found that AlphaFold2 can readily identify structures for a subset of IDRs that fold under certain conditions (conditional folding). We leverage AlphaFold2’s predictions of conditionally folded IDRs to quantify the extent of conditional folding across the tree of life, and to rationalize disease-causing mutations in IDRs. Classifications : Biological Sciences; Biophysics and Computational Biology

Poly(ADP-ribose) polymerase 1 (PARP1) is one of the first responders to DNA damage and plays crucial roles in recruiting DNA repair proteins through its activity - poly(ADP-ribosyl)ation (PARylation). The enrichment of DNA repair proteins at sites of DNA damage has been described as the formation of a biomolecular condensate. However, it is not understood how PARP1 and PARylation contribute to the formation and organization of DNA repair condensates. Using recombinant human PARP1

Intrinsically disordered regions (IDRs) represent at least one-third of the human proteome and defy the established structure-function paradigm. Because IDRs often have limited positional sequence conservation, the functional classification of IDRs using standard bioinformatics is generally not possible. Here, we show that evolutionarily conserved molecular features of the intrinsically disordered human proteome (IDR-ome), termed evolutionary signatures, enable classification and prediction of IDR functions. Hierarchical clustering of the human IDR-ome based on evolutionary signatures reveals strong enrichments for frequently studied functions of IDRs in transcription and RNA processing, as well as diverse, rarely studied functions, ranging from sub-cellular localization and biomolecular condensates to cellular signaling, transmembrane transport, and the constitution of the cytoskeleton. We exploit the information that is encoded within evolutionary conservation of molecular features to propose functional annotations for every IDR in the human proteome, inspect the conserved molecular features that correlate with different functions, and discover frequently co-occurring IDR functions on the proteome scale. Further, we identify patterns of evolutionary conserved molecular features of IDRs within proteins of unknown function and disease-risk genes for conditions such as cancer and developmental disorders. Our map of the human IDR-ome should be a valuable resource that aids in the discovery of new IDR biology.

Abstract The biomechanical properties and responses of tissues underpin a variety of physiological functions and pathologies. In striated muscle, the actin-binding protein filamin C (FLNC) is a key protein whose variants causative for a wide range of cardiomyopathies and musculoskeletal pathologies. Seemingly a multi-functional protein that interacts with a variety of partners, how FLNC is regulated at the molecular level is not well understood. Here we have investigated its interaction with HSPB7, a cardiac-specific molecular chaperone whose absence is embryonically lethal. We found that FLNC and HSPB7 interact in cardiac tissue under biomechanical stress, forming a strong hetero-dimer whose structure we have solved by means of X-ray crystallography. Our quantitative analyses show that the hetero-dimer out-competes the FLNC homo-dimer interface, potentially acting to abrogate the ability of the protein to cross-link the actin cytoskeleton, and to enhance its diffusive mobility. We show that phosphorylation of FLNC at threonine 2677, located at the dimer interface and associated with cardiac stress, acts to favour the homo-dimer. Conversely, phosphorylation at tyrosine 2683, also at the dimer interface, has the opposite effect and shifts the equilibrium towards the hetero-dimer. Evolutionary analysis and ancestral sequence reconstruction reveals this interaction and its mechanisms of regulation to date around the time primitive hearts evolved in chordates. Our work rationalises on the molecular level how FLNC might switch between stabilising functions in the cell, and reveals how HSPB7 acts as a specific molecular chaperone that regulates FLNC.

Isotope-labeled methyl groups provide NMR probes that can be observed in very large, otherwise deuterated systems and enable investigations of protein structure, dynamics and mechanisms. However, the assignment of resonances to specific methyls in the protein is expensive and time-consuming, which limits the use of methyl-based NMR for large proteins. To resolve this bottleneck, methyl assignment methods have been developed. However, these remain limited regarding complete automation, computational feasibility, and/or the extent and accuracy of the assignments. Here, we present the automated MethylFLYA method for the assignment of methyl groups that is based on methyl-methyl nuclear Overhauser effect spectroscopy (NOESY) peak lists. MethylFLYA was applied to five proteins (28–358 kDa) comprising a total of 708 isotope-labeled methyl groups, of which 674 had manually determined 1H/13C reference assignments and 614 showed cross peaks in the available NOESY peak lists. MethylFLYA confidently assigned 488 methyl groups, i.e. 79% of those with NOESY data. Of these, 460 agreed with the reference, 5 were different, and 23 concerned methyls without reference assignment. For high-quality NOESY spectra, automatic NOESY peak picking followed by resonance assignment with MethylFLYA can yield results comparable to those obtained from manually prepared peak lists, indicating the feasibility of unbiased, fully automatic methyl resonance assignment starting directly from the NMR spectra. Overall, MethylFLYA assigns significantly more methyl groups than other algorithms, has an average error rate of 1%, modest runtimes of 0.4–1.2 h, and flexibility to handle arbitrary isotope labeling patterns and include data from other types of NMR spectra.

The small heat-shock protein HSP27 is a redox-sensitive molecular chaperone that is expressed throughout the human body. Here we describe redox-induced changes to the structure, dynamics, and function of HSP27 and its conserved α-crystallin domain, and provide the first structural characterization of a small heat-shock protein monomer. While HSP27 assembles into oligomers, we show that the transiently populated monomers released upon reduction are highly active chaperones in vitro, but are kinetically unstable and susceptible to uncontrolled aggregation. By using relaxation dispersion and high-pressure nuclear magnetic resonance spectroscopy, we reveal that the pair of β-strands that mediate dimerization become partially disordered in the monomer. Strikingly, we note that numerous HSP27 mutations associated with inherited neuropathies cluster to this unstructured region. The high degree of sequence conservation in the α-crystallin domain amongst mammalian sHSPs suggests that partially unfolded monomers may be a general, functional feature of these molecular chaperones.

HSP27 (HSPB1) is a systemically expressed human small heat-shock protein that forms large, dynamic oligomers and functions in various aspects of cellular homeostasis. Mutations in HSP27 cause Charcot-Marie-Tooth disease, the most common inherited disorder of the peripheral nervous system. A particularly severe form of the disease is triggered by the P182L mutation within the highly conserved IxI/V motif of HSP27. Here, we observed that the P182L variant of HSP27 lacks the ability to prevent the aggregation of client proteins and formed significantly larger oligomers both in vitro and in vivo . NMR spectroscopy revealed that the P182L IxI/V motif binds its α-crystallin domain with significantly lower association rate, and thus affinity, rendering the binding site more available for other interactors. We identified 22 IxI/V-containing proteins that are known to interact with HSP27 and could therefore bind with enhanced affinity to the P182L variant. We validated this hypothesis through co-immunoprecipitation experiments, revealing that the IxI/V motif-bearing co-chaperone BAG3 indeed binds with higher affinity to the P182L variant. Our results provide a mechanistic basis for the impact of the P182L mutation on HSP27, and highlight the general importance of the IxI/V motif and its role in protein-protein interaction networks.

Small heat-shock proteins (sHsps; HspBs) are molecular chaperones involved in the cellular stress response and a range of basal functions. Despite a multitude of targets, sHsp interactions are not well understood due their heterogeneous structures and weak binding affinities. The most widely expressed human sHsp, HspB1, is prevalent in striated muscle, where the actin cross-linker filamin C (FLNC, γ-filamin, ABP-L) is a putative binding partner. Musculoskeletal HspB1 is phosphorylated in response to a variety of cues, including mechanical stress, which promotes oligomer disassembly and association with myoarchitectural elements. Here, we report the up-regulation and interaction of both proteins in the hearts of a mouse model of heart failure, with HspB1 being phosphorylated and FLNC increasingly associated with the sarcomeric Z-disc. We used a combination of structural approaches to reveal that phosphorylation of HspB1 results in increased availability of the residues surrounding the phosphosite, facilitating their interaction with folded FLNC domains equivalent to a force-sensing region in the paralog filamin A. By employing native mass spectrometry, we show that domains 18 to 21 of FLNC are extensible under conditions mimicking force, with phosphorylated HspB1 stabilising an intermediate from further unfolding. These findings report on conformations accessible during the cycles of mechanical extension central to filamin function, and are consistent with an interaction between the chaperone and a native target that is strengthened upon the application of force. This may represent a new mode of molecular chaperone activity, allowing HspB1 to protect FLNC from over-extension during mechanical stress.