Internal protein dynamics are intimately connected to enzymatic catalysis. However, enzyme motions linked to substrate turnover remain largely unknown. We have studied dynamics of an enzyme during catalysis at atomic resolution using nuclear magnetic resonance relaxation methods. During catalytic action of the enzyme cyclophilin A, we detect conformational fluctuations of the active site that occur on a time scale of hundreds of microseconds. The rates of conformational dynamics of the enzyme strongly correlate with the microscopic rates of substrate turnover. The present results, together with available structural data, allow a prediction of the reaction trajectory.

Protein actions are usually discussed in terms of static structures, but function requires motion. We find a strong correlation between phosphorylation-driven activation of the signaling protein NtrC and microsecond time-scale backbone dynamics. Using nuclear magnetic resonance relaxation, we characterized the motions of NtrC in three functional states: unphosphorylated (inactive), phosphorylated (active), and a partially active mutant. These dynamics are indicative of exchange between inactive and active conformations. Both states are populated in unphosphorylated NtrC, and phosphorylation shifts the equilibrium toward the active species. These results support a dynamic population shift between two preexisting conformations as the underlying mechanism of activation.

A long-standing challenge is to understand at the atomic level how protein dynamics contribute to enzyme catalysis. X-ray crystallography can provide snapshots of conformational substates sampled during enzymatic reactions, while NMR relaxation methods reveal the rates of interconversion between substates and the corresponding relative populations. However, these current methods cannot simultaneously reveal the detailed atomic structures of the rare states and rationalize the finding that intrinsic motions in the free enzyme occur on a timescale similar to the catalytic turnover rate. Here we introduce dual strategies of ambient-temperature X-ray crystallographic data collection and automated electron-density sampling to structurally unravel interconverting substates of the human proline isomerase, cyclophilin A (CYPA, also known as PPIA). A conservative mutation outside the active site was designed to stabilize features of the previously hidden minor conformation. This mutation not only inverts the equilibrium between the substates, but also causes large, parallel reductions in the conformational interconversion rates and the catalytic rate. These studies introduce crystallographic approaches to define functional minor protein conformations and, in combination with NMR analysis of the enzyme dynamics in solution, show how collective motions directly contribute to the catalytic power of an enzyme.

AlphaFold2 (ref. 1) has revolutionized structural biology by accurately predicting single structures of proteins. However, a protein's biological function often depends on multiple conformational substates2, and disease-causing point mutations often cause population changes within these substates3,4. We demonstrate that clustering a multiple-sequence alignment by sequence similarity enables AlphaFold2 to sample alternative states of known metamorphic proteins with high confidence. Using this method, named AF-Cluster, we investigated the evolutionary distribution of predicted structures for the metamorphic protein KaiB5 and found that predictions of both conformations were distributed in clusters across the KaiB family. We used nuclear magnetic resonance spectroscopy to confirm an AF-Cluster prediction: a cyanobacteria KaiB variant is stabilized in the opposite state compared with the more widely studied variant. To test AF-Cluster's sensitivity to point mutations, we designed and experimentally verified a set of three mutations predicted to flip KaiB from Rhodobacter sphaeroides from the ground to the fold-switched state. Finally, screening for alternative states in protein families without known fold switching identified a putative alternative state for the oxidoreductase Mpt53 in Mycobacterium tuberculosis. Further development of such bioinformatic methods in tandem with experiments will probably have a considerable impact on predicting protein energy landscapes, essential for illuminating biological function.

Abstract The specificity of phosphorylation by protein kinases is essential to the integrity of biological signal transduction. While peptide sequence specificity for individual kinases has been examined previously, here we explore the evolutionary progression that has led to the modern substrate specificity of two non-receptor tyrosine kinases, Abl and Src. To efficiently determine the substrate specificity of modern and reconstructed ancestral kinases, we developed a method using mammalian cell lysate as the substrate pool, thereby representing the naturally occurring substrate proteins. We find that the oldest tyrosine kinase ancestor was a promiscuous enzyme that evolved through a more specific last common ancestor into a specific human Abl. In contrast, the parallel pathway to human Src involved a loss of substrate specificity, leading to general promiscuity. These results add a new facet to our understanding of the evolution of signaling pathways, with both subfunctionalization and neofunctionalization along the evolutionary trajectories.

Abstract Reversible protein phosphorylation directs essential cellular processes including cell division, cell growth, cell death, inflammation, and differentiation. Because protein phosphorylation drives diverse diseases, kinases and phosphatases have been targets for drug discovery, with some achieving remarkable clinical success. Most protein kinases are activated by phosphorylation of their activation loops, which shifts the conformational equilibrium of the kinase towards the active state. To turn off the kinase, protein phosphatases dephosphorylate these sites, but how the conformation of the dynamic activation loop contributes to dephosphorylation was not known. To answer this, we modulated the activation loop conformational equilibrium of human p38α MAP kinase with existing kinase inhibitors that bind and stabilize specific inactive activation loop conformations. From this, we discovered three inhibitors that increase the rate of dephosphorylation of the activation loop phospho-threonine by the PPM serine/threonine phosphatase WIP1. Hence, these compounds are “dual-action” inhibitors that simultaneously block the active site and stimulate p38α dephosphorylation. Our X-ray crystal structures of phosphorylated p38α bound to the dual-action inhibitors reveal a shared flipped conformation of the activation loop with a fully accessible phospho-threonine. In contrast, our X-ray crystal structure of phosphorylated apo human p38α reveals a different activation loop conformation with an inaccessible phospho-threonine, thereby explaining the increased rate of dephosphorylation upon inhibitor binding. These findings reveal a conformational preference of phosphatases for their targets and suggest a new approach to achieving improved potency and specificity for therapeutic kinase inhibitors.