A novel and generally applicable method for determining structures of membrane proteins in solution via small‐angle neutron scattering (SANS) is presented. Common detergents for solubilizing membrane proteins were synthesized in isotope‐substituted versions for utilizing the intrinsic neutron scattering length difference between hydrogen and deuterium. Individual hydrogen/deuterium levels of the detergent head and tail groups were achieved such that the formed micelles became effectively invisible in heavy water (D 2 O) when investigated by neutrons. This way, only the signal from the membrane protein remained in the SANS data. We demonstrate that the method is not only generally applicable on five very different membrane proteins but also reveals subtle structural details about the sarco/endoplasmatic reticulum Ca 2+ ATPase (SERCA). In all, the synthesis of isotope‐substituted detergents makes solution structure determination of membrane proteins by SANS and subsequent data analysis available to nonspecialists.

Background Hormone-sensitive lipase (HSL) is a key enzyme in the mobilization of fatty acids from stored triacylglycerols. Its activity is regulated by reversible protein phosphorylation. In rat HSL Ser563, Ser659 and Ser660 have been shown to be phosphorylated by protein kinase A (PKA) in vitro as well as in vivo. Methodology/Principal Findings In this study we employed site-directed mutagenesis, in vitro phosphorylation and mass spectrometry to show that in vitro phosphorylation of human HSL by PKA occurs primarily on Ser649 and Ser650 (Ser659 and Ser660 in rat HSL). The wild type enzyme and four mutants were expressed in C-terminally His-tagged form in Sf9 insect cells and purified to homogeneity. HSL variants in which Ser552 and/or Ser554 were mutated to Ala or Glu retained both lipolytic and non-lipolytic activity and were phosphorylated by PKA and activated to a similar extent as the wild type enzyme. 32P-labeling studies revealed that the bulk of the phosphorylation was on the Ser649/Ser650 site, with only a minor phosphorylation of Ser552 and Ser554. MS/MS analysis demonstrated that the peptide containing Ser649 and Ser650 was primarily phosphorylated on Ser650. The mutant lacking all four serines had severely reduced lipolytic activity, but a lesser reduction in non-lipolytic activity, had S0.5 values for p-nitrophenol butyrate and triolein comparable to those of wild type HSL and was not phosphorylated by PKA. PKA phosphorylation of the wild type enzyme resulted in an increase in both the maximum turnover and S0,5 using the TO substrate. Conclusions Our results demonstrate that PKA activates human HSL against lipid substrates in vitro primarily through phosphorylation of Ser649 and Ser650. In addition the results suggest that Ser649 and Ser650 are located in the vicinity of a lipid binding region and that PKA phosphorylation controls the accessibility of this region.

Hormone-sensitive lipase (EC 3.1.1.79; HSL) is a key enzyme in the mobilization of fatty acids from stored triacylglycerols. HSL activity is controlled by phosphorylation of at least four serines. In rat HSL, Ser563, Ser659 and Ser660 are phosphorylated by protein kinase A (PKA) in vitro as well as in vivo, and Ser660 and Ser659 have been shown to be the activity-controlling sites in vitro. The exact molecular events of PKA-mediated activation of HSL in vitro are yet to be determined, but increases in both Vmax and S0.5 seem to be involved, as recently shown for human HSL. In this study, the hydrophobic fluorescent probe 4,4'-dianilino-1,1'-binaphthyl-5,5'-disulfonic acid (bis-ANS) was found to inhibit the hydrolysis of triolein by purified recombinant rat adipocyte HSL, with a decrease in the effect of bis-ANS upon PKA phosphorylation of HSL. The interaction of HSL with bis-ANS was found to have a Kd of 1 microM in binding assays. Upon PKA phosphorylation, the interactions of HSL with both bis-ANS and the alternative probe SYPRO Orange were increased. By negative stain transmission electron microscopy, phosphorylated HSL was found to have a closer interaction with phospholipid vesicles than unphosphorylated HSL. Taken together, our results show that HSL increases its hydrophobic nature upon phosphorylation by PKA. This suggests that PKA phosphorylation induces a conformational change that increases the exposed hydrophobic surface and thereby facilitates binding of HSL to the lipid substrate.

Expression of phosphate starvation inducible genes was studied during recovery from phosphate starvation of Arabidopsis thaliana . Genes analysed were ACP5 (encoding an acid phosphatase), RNS1 (encoding an RNase), At4 and IPS1 (both of unknown function), Pht1;7 and Pht2;1 (encoding phosphate transporters). Plants grown at limiting phosphate exhibited reduced growth rate and accumulated anthocyanins, soluble sugars, and starch. Re‐supply of phosphate resulted in dramatic uptake of phosphate, increased growth rate and decreased levels of anthocyanins, soluble sugars, and starch in leaf tissue. In both shoots and roots re‐supplied with P i , transcript levels decreased rapidly, and first changes were observed within 30 min. These alterations in gene expression occurred before the content of carbohydrates decreased, indicating that transcriptional regulation was due to phosphate sensing, and not a secondary effect of carbon accumulation. The data reveal different response rates for individual genes and demonstrate that roots and shoots can differ with respect to both timing and genes responding. In general, the changes in transcriptional activity in roots preceded the changes in shoots. Furthermore, transcriptional regulation was observed in isolated roots and shoots. This implies that roots do not strictly require a signal from the shoot, and vice versa, in order to respond to phosphate starvation.

Positive allosteric modulators of ionotropic glutamate receptors are potential compounds for treatment of cognitive disorders, e.g., Alzheimer's disease. The modulators bind within the dimer interface of the ligand-binding domain (LBD) and stabilize the agonist-bound conformation, thereby slowing receptor desensitization and/or deactivation. Here we describe the synthesis and pharmacological testing at GluA2 of a new generation of 3,4-dihydro-2H-1,2,4-benzothiadiazine 1,1-dioxides. The most potent modulator 3 in complex with GluA2-LBD-L483Y-N754S was subjected to structural analysis by X-ray crystallography, and the thermodynamics of binding was studied by isothermal titration calorimetry. Compound 3 binds to GluA2-LBD-L483Y-N754S with a Kd of 0.35 μM (ΔH = −7.5 kcal/mol and −TΔS = −1.3 kcal/mol). This is the first time that submicromolar binding affinity has been achieved for this type of positive allosteric modulator. The major structural factor increasing the binding affinity of 3 seems to be interactions between the cyclopropyl group of 3 and the backbone of Phe495 and Met496.

Positive allosteric modulators of the ionotropic glutamate receptor-2 (GluA2) are promising compounds for the treatment of cognitive disorders, e.g. Alzheimer's disease. These modulators bind within the dimer interface of the LBD (ligand-binding domain) and stabilize the agonist-bound conformation slowing receptor desensitization and/or deactivation. In the present study, we employ isothermal titration calorimetry to determine binding affinities and thermodynamic details of binding of modulators of GluA2. A mutant of the LBD of GluA2 (LBD-L483Y-N754S) that forms a stable dimer in solution was used. The potent GluA2 modulator BPAM-97 was used as a reference compound. Evidence that BPAM-97 binds in the same pocket as the well-known GluA2 modulator cyclothiazide was obtained from X-ray structures. The LBD-L483Y-N754S:BPAM-97 complex has a Kd of 5.6 μM (ΔH=-4.9 kcal/mol, -TΔS=-2.3 kcal/mol; where 1 kcal≈4.187 kJ). BPAM-97 was used in a displacement assay to determine a Kd of 0.46 mM (ΔH=-1.2 kcal/mol, -TΔS=-3.3 kcal/mol) for the LBD-L483Y-N754S:IDRA-21 complex. The major structural factors increasing the potency of BPAM-97 over IDRA-21 are the increased van der Waals contacts to, primarily, Met496 in GluA2 imposed by the ethyl substituent of BPAM-97. These results add important information on binding affinities and thermodynamic details, and provide a new tool in the development of drugs against cognitive disorders.

Accumulating evidence suggests that dysregulated glycerol metabolism contributes to the pathophysiology of obesity and type 2 diabetes. Glycerol efflux from adipocytes is regulated by the aquaglyceroporin AQP7, which is translocated upon hormone stimulation. Here, we propose a molecular mechanism where the AQP7 mobility in adipocytes is dependent on perilipin 1 and protein kinase A. Biochemical analyses combined with ex vivo studies in human primary adipocytes, demonstrate that perilipin 1 binds to AQP7, and that catecholamine activated protein kinase A phosphorylates the N-terminus of AQP7, thereby reducing complex formation. Together, these findings are indicative of how glycerol release is controlled in adipocytes, and may pave the way for the future design of drugs against human metabolic pathologies.

Neuronal α4β2 nicotinic acetylcholine receptors are attractive drug targets for psychiatric and neurodegenerative disorders and smoking cessation aids. Recently, a third agonist binding site between two α4 subunits in the (α4)₃(β2)₂ receptor subpopulation was discovered. In particular, three residues, H142, Q150, and T152, were demonstrated to be involved in the distinct pharmacology of the α4-α4 versus α4-β2 binding sites. To obtain insight into the three-dimensional structure of the α4-α4 binding site, a surrogate protein reproducing α4-α4 binding characteristics was constructed by introduction of three point mutations, R104H, L112Q, and M114T, into the binding pocket of Lymnaea stagnalis acetylcholine-binding protein (Ls-AChBP). Cocrystallization with two agonists possessing distinct pharmacologic profiles, NS3920 [1-(6-bromopyridin-3-yl)-1,4-diazepane] and NS3573 [1-(5-ethoxypyridin-3-yl)-1,4-diazepane], highlights the roles of the three residues in determining binding affinities and functional properties of ligands at the α4-α4 interface. Confirmed by mutational studies, our structures suggest a unique ligand-specific role of residue H142 on the α4 subunit. In the cocrystal structure of the mutated Ls-AChBP with the high-efficacy ligand NS3920, the corresponding histidine forms an intersubunit bridge that reinforces the ligand-mediated interactions between subunits. The structures further reveal that the binding site residues gain different and ligand-dependent interactions that could not be predicted based on wild-type Ls-AChBP structures in complex with the same agonists. The results show that an unprecedented correlation between binding in engineered AChBPs and functional receptors can be obtained and provide new opportunities for structure-based design of drugs targeting specific nicotinic acetylcholine receptor interfaces.