PR65 is the HEAT repeat scaffold subunit of the heterotrimeric protein phosphatase 2A (PP2A) and an archetypal tandem repeat protein. Its conformational mechanics plays a crucial role in PP2A function by opening/closing substrate binding/catalysis interface. Using in silico saturation mutagenesis, we identified PR65 “hinge” residues whose substitutions could alter its conformational adaptability and thereby PP2A function, and selected six mutations that were verified to be expressed and soluble. Molecular simulations and nanoaperture optical tweezers revealed consistent results on the specific effects of the mutations on the structure and dynamics of PR65. Two mutants observed in simulations to stabilize extended/open conformations exhibited higher corner frequencies and lower translational scattering in experiments, indicating a shift toward extended conformations, whereas another displayed the opposite features, confirmed by both simulations and experiments. The study highlights the power of single-molecule nanoaperture-based tweezers integrated with in silico approaches for exploring the effect of mutations on protein structure and dynamics.

Abstract Summary Efficient sampling of conformational space is essential for elucidating functional/allosteric mechanisms of proteins and generating ensembles of conformers for docking applications. However, unbiased sampling is still a challenge especially for highly flexible and/or large systems. To address this challenge, we describe the new implementation of our computationally efficient algorithm ClustENMD that is integrated with ProDy and OpenMM softwares. This hybrid method performs iterative cycles of conformer generation using elastic network model (ENM) for deformations along global modes, followed by clustering and short molecular dynamics (MD) simulations. ProDy framework enables full automation and analysis of generated conformers and visualization of their distributions in the essential subspace. Availability and implementation ClustENMD is open-source and freely available under MIT License from https://github.com/prody/ProDy . Contact burak.kaynak@pitt.edu or doruker@pitt.edu Supplementary information Supplementary materials comprise method details, figures, table and tutorial.