Abstract Huntington’s Disease is a neurodegenerative disorder caused by a CAG expansion of the first exon of the HTT gene, resulting in an extended poly-glutamine (poly-Q) tract in the N-terminus of the protein huntingtin (httex1). The structural changes occurring to the poly-Q when increasing its length remain poorly understood mainly due to its intrinsic flexibility and the strong compositional bias of the protein. The systematic application of site-specific isotopic labeling has enabled residue-specific NMR investigations of the poly-Q tract of pathogenic httex1 variants with 46 and 66 consecutive glutamines. The integrative analysis of the data reveals that the poly-Q tract adopts long α-helical conformations stabilized by glutamine side-chain to backbone hydrogen bonds. 19 F-NMR of site-specifically incorporated fluoro-glutamines and molecular dynamics simulations demonstrate that the mechanism propagating α-helical conformations towards the poly-Q from the upstream N17 domain is independent of the poly-Q track length. Aggregation and atomic force microscopy experiments show that the presence of long and persistent α-helices in the poly-Q tract is a stronger signature in defining the aggregation kinetics and the structure of the resulting fibrils than the number of glutamines. The ensemble of our observations provides a structural perspective of the pathogenicity of expanded httex1 and paves the way to a deeper understanding of poly-Q related diseases.

Abstract Arrestin dependent G protein-coupled receptor (GPCR) signaling pathway is regulated by the phosphorylation state of GPCR’s C-terminal domain, but the molecular bases of arrestin:receptor interaction are to be further illuminated. Here we investigated the impact of phosphorylation on the conformational features of the C-terminal region from three Rhodopsin-like GPCRs, the vasopressin V2 Receptor (V2R), the Growth Hormone Secretagogue or ghrelin Receptor type 1a (GHSR) and the β2-Adernergic Receptor (β2AR). Using phosphomimetic variants, we identified pre-formed secondary structure elements, or short linear motif (SLiMs), that undergo specific conformational transitions upon phosphorylation. Of importance, such conformational transition favors arrestin-2 binding. Hence, our results suggest a model in which the cellular signaling specificity of GPCRs is encoded in the phosphorylation-dependent structuration of the C-terminal regions, which will subsequently modulate arrestin conformation and therefore GPCR:arrestin signaling outcomes.

The pseudo-kinase and signaling protein Pragmin has been linked to cancer by regulating protein tyrosine phosphorylation via unknown mechanisms. Here we present the crystal structure of the Pragmin 906-1368 amino acids C-terminus, which encompasses its kinase domain. We show that Pragmin contains a classical protein kinase fold devoid of catalytic activity. A particular inhibitory triad, conserved in a Pragmin/SgK269/PEAK1/C19orf35 superfamily, tightly holds the catalytic lysine (K997) to prevent ATP binding. By proteomics, we discovered that this pseudo-kinase uses the tyrosine kinase CSK to induce protein tyrosine phosphorylation in human cells. Interestingly, the protein kinase domain is bordered by N- and C-terminal extensions forming an original dimerization domain that regulates Pragmin self-association and stimulates CSK activity. A1329E mutation in the C-terminal extension destabilizes Pragmin dimerization and reduces CSK activation. Thus, our results reveal a new dimerization mechanism by which a pseudo-kinase can induce protein tyrosine phosphorylation.

Abstract NMR studies of large biomolecular machines and highly repetitive proteins remain challenging due to the difficulty of assigning signals to individual nuclei. Here, we present an efficient strategy to address this challenge by engineering a Pyrococcus horikoshii tRNA/alanyl-tRNA synthetase pair that enables the incorporation of up to three isotopically labeled alanine residues in a site-specific manner using in vitro protein expression. We have demonstrated the general applicability of this approach for NMR assignment by introducing isotopically labeled alanines into four proteins, including the 300-kDa molecular chaperone ClpP and the alanine-rich Phox2B transcription factor. For large protein assemblies, our labeling approach enables unambiguous assignments, while avoiding potential artefacts induced by site-specific mutations. When applied to Phox2B, which contains two poly-alanine tracts of nine and twenty alanines, we observe that the helical stability is strongly dependent on the homorepeat length, demonstrating structural cooperativity. The capacity to selectively introduce alanines with distinct labeling patterns is a powerful tool to probe structure and dynamics of biomolecular systems that are out of the reach of traditional structural biology methods.