Proteolysis is essential for the control of metabolic pathways and the cell cycle. Bacterial caseinolytic proteases (Clp) use peptidase components, such as ClpP, to degrade defective substrate proteins and to regulate cellular levels of stress-response proteins. To ensure selective degradation, access to the proteolytic chamber of the double–ring ClpP tetradecamer is controlled by a critical gating mechanism of the two axial pores. The binding of conserved loops of the Clp ATPase component of the protease or small molecules, such as acyldepsipeptide (ADEP), at peripheral ClpP ring sites, triggers axial pore opening through dramatic conformational transitions of flexible N-terminal loops between disordered conformations in the “closed” pore state and ordered hairpins in the “open” pore state. In this study, we probe the allosteric communication underlying these conformational changes by comparing residue–residue couplings in molecular dynamics simulations of each configuration. Both principal component and normal mode analyses highlight large-scale conformational changes in the N-terminal loop regions and smaller amplitude motions of the peptidase core. Community network analysis reveals a switch between intra- and inter-protomer coupling in the open–closed pore transition. Allosteric pathways that connect the ADEP binding sites to N-terminal loops are rewired in this transition, with shorter network paths in the open pore configuration supporting stronger intra- and inter-ring coupling. Structural perturbations, either through the removal of ADEP molecules or point mutations, alter the allosteric network to weaken the coupling.

1.
S.
Wickner
,
M. R.
Maurizi
, and
S.
Gottesman
,
Science
286
,
1888
(
1999
).
2.
M.
Gersch
,
K.
Famulla
,
M.
Dahmen
,
C.
Göbl
,
I.
Malik
,
K.
Richter
,
V. S.
Korotkov
,
P.
Sass
,
H.
Rübsamen-Schaeff
, and
T.
Madl
,
Nat. Commun.
6
,
6320
(
2015
).
3.
J.
Ortega
,
H. S.
Lee
,
M. R.
Maurizi
, and
A. C.
Steven
,
J. Struct. Biol.
146
,
217
(
2004
).
4.
J.
Wang
,
J. A.
Hartling
, and
J. M.
Flanagan
,
Cell
91
,
447
(
1997
).
5.
X.
Fei
,
T. A.
Bell
,
S.
Jenni
,
B. M.
Stinson
,
T. A.
Baker
,
S. C.
Harrison
, and
R. T.
Sauer
,
eLife
9
,
e52774
(
2020
).
6.
Y.
Katayama-Fujimura
,
S.
Gottesman
, and
M. R.
Maurizi
,
J. Biol. Chem.
262
,
4477
(
1987
).
7.
M. R.
Maurizi
,
W. P.
Clark
,
Y.
Katayama
,
S.
Rudikoff
,
J.
Pumphrey
,
B.
Bowers
, and
S.
Gottesman
,
J. Biol. Chem.
265
,
12536
(
1990
).
8.
K. M.
Woo
,
W. J.
Chung
,
D. B.
Ha
,
A. L.
Goldberg
, and
C. H.
Chung
,
J. Biol. Chem.
264
,
2088
(
1989
).
9.
M. W.
Thompson
,
S. K.
Singh
, and
M. R.
Maurizi
,
J. Biol. Chem.
269
,
18209
(
1994
).
10.
S.
Gottesman
,
M. R.
Maurizi
, and
S.
Wickner
,
Cell
91
,
435
(
1997
).
11.
K. R.
Schmitz
,
D. W.
Carney
,
J. K.
Sello
, and
R. T.
Sauer
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
111
,
E4587
(
2014
).
12.
M. E.
Lee
,
T. A.
Baker
, and
R. T.
Sauer
,
J. Mol. Biol.
399
,
707
(
2010
).
13.
M. W.
Thompson
and
M. R.
Maurizi
,
J. Biol. Chem.
269
,
18201
(
1994
).
14.
J. A.
Alexopoulos
,
A.
Guarné
, and
J.
Ortega
,
J. Struct. Biol.
179
,
202
(
2012
).
15.
A.
Martin
,
T. A.
Baker
, and
R. T.
Sauer
,
Mol. Cell
27
,
41
(
2007
).
16.
G.
Effantin
,
M. R.
Maurizi
, and
A. C.
Steven
,
J. Biol. Chem.
285
,
14834
(
2010
).
17.
A.
Martin
,
T. A.
Baker
, and
R. T.
Sauer
,
Nat. Struct. Mol. Biol.
15
,
1147
(
2008
).
18.
C.
Lee
,
M. P.
Schwartz
,
S.
Prakash
,
M.
Iwakura
, and
A.
Matouschek
,
Mol. cell
7
,
627
(
2001
).
19.
M.-E.
Aubin-Tam
,
A. O.
Olivares
,
R. T.
Sauer
,
T. A.
Baker
, and
M. J.
Lang
,
Cell
145
,
257
(
2011
).
20.
R. A.
Maillard
,
G.
Chistol
,
M.
Sen
,
M.
Righini
,
J.
Tan
,
C. M.
Kaiser
,
C.
Hodges
,
A.
Martin
, and
C.
Bustamante
,
Cell
145
,
459
(
2011
).
21.
A.
Kravats
,
M.
Jayasinghe
, and
G.
Stan
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
108
,
2234
(
2011
).
22.
A. O.
Olivares
,
A. R.
Nager
,
O.
Iosefson
,
R. T.
Sauer
, and
T. A.
Baker
,
Nat. Struct. Mol. Biol.
21
,
871
(
2014
).
23.
A.
Javidialesaadi
,
S. M.
Flournoy
, and
G.
Stan
,
J. Phys. Chem. B
123
,
2623
(
2019
).
24.
H. Y. Y.
Fonseka
,
A.
Javidi
,
L. F. L.
Oliveira
,
C.
Micheletti
, and
G.
Stan
,
J. Phys. Chem. B
125
,
7335
(
2021
).
25.
R. A.
Varikoti
,
H. Y. Y.
Fonseka
,
M. S.
Kelly
,
A.
Javidi
,
M.
Damre
,
S.
Mullen
,
J. L.
Nugent
,
C. M.
Gonzales
,
G.
Stan
, and
R. I.
Dima
,
Nanomaterials
12
,
1849
(
2022
).
26.
L. D.
Jennings
,
J.
Bohon
,
M. R.
Chance
, and
S.
Licht
,
Biochemistry
47
,
11031
(
2008
).
27.
S. G.
Kang
,
M. R.
Maurizi
,
M.
Thompson
,
T.
Mueser
, and
B.
Ahvazi
,
J. Struct. Biol.
148
,
338
(
2004
).
28.
A.
Gribun
,
M. S.
Kimber
,
R.
Ching
,
R.
Sprangers
,
K. M.
Fiebig
, and
W. A.
Houry
,
J. Biol. Chem.
280
,
16185
(
2005
).
29.
M. C.
Bewley
,
V.
Graziano
,
K.
Griffin
, and
J. M.
Flanagan
,
J. Struct. Biol.
153
,
113
(
2006
).
30.
Y.-I.
Kim
,
I.
Levchenko
,
K.
Fraczkowska
,
R. V.
Woodruff
,
R. T.
Sauer
, and
T. A.
Baker
,
Nat. Struct. Mol. Biol.
8
,
230
(
2001
).
31.
D. Y.
Kim
and
K. K.
Kim
,
J. Biol. Chem.
278
,
50664
(
2003
).
32.
Ž.
Maglica
,
K.
Kolygo
, and
E.
Weber-Ban
,
Structure
17
,
508
(
2009
).
33.
A. J.
Amor
,
K. R.
Schmitz
,
J. K.
Sello
,
T. A.
Baker
, and
R. T.
Sauer
,
ACS Chem. Biol.
11
,
1552
(
2016
).
34.
D. H. S.
Li
,
Y. S.
Chung
,
M.
Gloyd
,
E.
Joseph
,
R.
Ghirlando
,
G. D.
Wright
,
Y.-Q.
Cheng
,
M. R.
Maurizi
,
A.
Guarné
, and
J.
Ortega
,
Chem. Biol.
17
,
959
(
2010
).
35.
H.
Brötz-Oesterhelt
,
D.
Beyer
,
H.-P.
Kroll
,
R.
Endermann
,
C.
Ladel
,
W.
Schroeder
,
B.
Hinzen
,
S.
Raddatz
,
H.
Paulsen
,
K.
Henninger
,
J. E.
Bandow
,
H.-G.
Sahl
, and
H.
Labischinski
,
Nat. Med.
11
,
1082
(
2005
).
36.
M. C.
Bewley
,
V.
Graziano
,
K.
Griffin
, and
J. M.
Flanagan
,
J. Struct. Biol.
165
,
118
(
2009
).
37.
S.
Vahidi
,
Z. A.
Ripstein
,
M.
Bonomi
,
T.
Yuwen
,
M. F.
Mabanglo
,
J. B.
Juravsky
,
K.
Rizzolo
,
A.
Velyvis
,
W. A.
Houry
,
M.
Vendruscolo
,
J. L.
Rubinstein
, and
L. E.
Kay
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
115
,
E6447
(
2018
).
38.
J.
Kirstein
,
A.
Hoffmann
,
H.
Lilie
,
R.
Schmidt
,
H.
Rübsamen‐Waigmann
,
H.
Brötz‐Oesterhelt
,
A.
Mogk
, and
K.
Turgay
,
EMBO Mol. Med.
1
,
37
(
2009
).
39.
P.
Sass
,
M.
Josten
,
K.
Famulla
,
G.
Schiffer
,
H.-G.
Sahl
,
L.
Hamoen
, and
H.
Brötz-Oesterhelt
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
108
,
17474
(
2011
).
40.
R. M.
Raju
,
A. L.
Goldberg
, and
E. J.
Rubin
,
Nat. Rev. Drug Discovery
11
,
777
(
2012
).
41.
B. P.
Conlon
,
E. S.
Nakayasu
,
L. E.
Fleck
,
M. D.
LaFleur
,
V. M.
Isabella
,
K.
Coleman
,
S. N.
Leonard
,
R. D.
Smith
,
J. N.
Adkins
, and
K.
Lewis
,
Nature
503
,
365
(
2013
).
42.
J.
Zhang
,
F.
Ye
,
L.
Lan
,
H.
Jiang
,
C.
Luo
, and
C.-G.
Yang
,
J. Biol. Chem.
286
,
37590
(
2011
).
43.
O.
Keskin
,
I.
Bahar
,
D.
Flatow
,
D. G.
Covell
, and
R. L.
Jernigan
,
Biochemistry
41
,
491
(
2002
).
44.
W.
Zheng
,
B. R.
Brooks
, and
D.
Thirumalai
,
Biophys. J.
93
,
2289
(
2007
).
45.
M.
Jayasinghe
,
P.
Shrestha
,
X.
Wu
,
R.
Tehver
, and
G.
Stan
,
Biophys. J.
103
,
1285
(
2012
).
46.
R.
Gruber
and
A.
Horovitz
,
Chem. Rev.
116
,
6588
(
2016
).
47.
R.
Gruber
,
M.
Levitt
, and
A.
Horovitz
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
114
,
5189
(
2017
).
48.
A. R.
Atilgan
and
C.
Atilgan
,
Briefings Funct. Genomics
11
,
479
(
2012
).
49.
R.
Nussinov
,
C.-J.
Tsai
, and
B.
Ma
,
Annu. Rev. Biophys.
42
,
169
(
2013
).
50.
V. A.
Feher
,
J. D.
Durrant
,
A. T.
Van Wart
, and
R. E.
Amaro
,
Curr. Opin. Struct. Biol.
25
,
98
(
2014
).
51.
J.
Guo
and
H.-X.
Zhou
,
Chem. Rev.
116
,
6503
(
2016
).
52.
A. R.
Atilgan
,
P.
Akan
, and
C.
Baysal
,
Biophys. J.
86
,
85
(
2004
).
53.
C.
Chennubhotla
and
I.
Bahar
,
Mol. Syst. Biol.
2
,
e172
(
2006
).
54.
A.
Sethi
,
J.
Eargle
,
A. A.
Black
, and
Z.
Luthey-Schulten
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
106
,
6620
(
2009
).
55.
I.
Rivalta
,
M. M.
Sultan
,
N. S.
Lee
,
G. A.
Manley
,
J. P.
Loria
, and
V. S.
Batista
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
109
,
E1428
(
2012
).
56.
Y.
Miao
,
S. E.
Nichols
,
P. M.
Gasper
,
V. T.
Metzger
, and
J. A.
McCammon
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
110
,
10982
(
2013
).
57.
P. M.
Gasper
,
B.
Fuglestad
,
E. A.
Komives
,
P. R. L.
Markwick
, and
J. A.
McCammon
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
109
,
21216
(
2012
).
58.
G.
Scarabelli
and
B. J.
Grant
,
Biophys. J.
107
,
2204
(
2014
).
59.
A. T.
Van Wart
,
J.
Durrant
,
L.
Votapka
, and
R. E.
Amaro
,
J. Chem. Theory Comput.
10
,
511
(
2014
).
60.
G.
Palermo
,
C. G.
Ricci
,
A.
Fernando
,
R.
Basak
,
M.
Jinek
,
I.
Rivalta
,
V. S.
Batista
, and
J. A.
McCammon
,
J. Am. Chem. Soc.
139
,
16028
(
2017
).
61.
G.
Stetz
and
G. M.
Verkhivker
,
PLoS Comput. Biol.
13
,
e1005299
(
2017
).
62.
G. M.
Verkhivker
and
L.
Di Paola
,
J. Phys. Chem. B
125
,
850
(
2021
).
63.
W.
Humphrey
,
A.
Dalke
, and
K.
Schulten
,
J. Mol. Graph.
14
,
33
(
1996
).
64.
A.
Fiser
and
A.
Sali
,
Bioinformatics
19
,
2500
(
2003
).
65.
Schrödinger, LLC
, The PyMOL molecular graphics system, version 1.8,
2015
.
66.
D.
Van Der Spoel
,
E.
Lindahl
,
B.
Hess
,
G.
Groenhof
,
A. E.
Mark
, and
H. J. C.
Berendsen
,
J. Comput. Chem.
26
,
1701
(
2005
).
67.
R. B.
Best
,
X.
Zhu
,
J.
Shim
,
P. E. M.
Lopes
,
J.
Mittal
,
M.
Feig
, and
A. D.
MacKerell
, Jr.
,
J. Chem. Theory Comput.
8
,
3257
(
2012
).
68.
K.
Vanommeslaeghe
,
E.
Hatcher
,
C.
Acharya
,
S.
Kundu
,
S.
Zhong
,
J.
Shim
,
E.
Darian
,
O.
Guvench
,
P.
Lopes
,
I.
Vorobyov
 et al,
J. Comput. Chem.
31
,
671
(
2010
).
69.
E.
Neria
,
S.
Fischer
, and
M.
Karplus
,
J. Chem. Phys.
105
,
1902
(
1996
).
70.
G.
Bussi
,
D.
Donadio
, and
M.
Parrinello
,
J. Chem. Phys.
126
,
014101
(
2007
).
71.
M.
Parrinello
and
A.
Rahman
,
J. Appl. Phys.
52
,
7182
(
1981
).
72.
B. J.
Grant
,
A. P. C.
Rodrigues
,
K. M.
ElSawy
,
J. A.
McCammon
, and
L. S. D.
Caves
,
Bioinformatics
22
,
2695
(
2006
).
73.
H.
Kamberaj
and
A.
Van der Vaart
,
Biophys. J.
96
,
1307
(
2009
).
74.
M.
Girvan
and
M. E. J.
Newman
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
99
,
7821
(
2002
).
75.
B. J.
Grant
,
L.
Skjærven
, and
X. Q.
Yao
,
Protein Sci.
30
,
20
(
2021
).
76.
S.
Hayward
and
B. L.
Groot
,
Molecular Modeling of Proteins
(
Springer
,
2008
), pp.
89
106
.
77.
A.
Amadei
,
A. B. M.
Linssen
, and
H. J. C.
Berendsen
,
Proteins
17
,
412
(
1993
).
78.
M. A.
Balsera
,
W.
Wriggers
,
Y.
Oono
, and
K.
Schulten
,
J. Phys. Chem.
100
,
2567
(
1996
).
79.
A.
Amadei
,
B. L.
De Groot
,
M.-A.
Ceruso
,
M.
Paci
,
A.
Di Nola
, and
H. J. C.
Berendsen
,
Proteins
35
,
283
(
1999
).
80.
R.
Cossio-Pérez
,
J.
Palma
, and
G.
Pierdominici-Sottile
,
J. Chem. Inf. Model.
57
,
826
(
2017
).
81.
X.-Q.
Yao
,
R. U.
Malik
,
N. W.
Griggs
,
L.
Skjærven
,
J. R.
Traynor
,
S.
Sivaramakrishnan
, and
B. J.
Grant
,
J. Biol. Chem.
291
,
4742
(
2016
).
82.
L. E.
Bradley
, “
Overlapping coefficient
,” in
Encyclopedia of Statistical Sciences
(
John Wiley
,
New York
,
1985
), Chap. 6, pp.
546
547
.
83.
M. S.
Weitzman
, “
Measures of overlap of income distributions of white and negro families in the United States
,” Technical Paper No. 22 (
US Bureau of the Census
,
1970
).
84.
M. M.
Tirion
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
1905
(
1996
).
85.
I.
Bahar
and
A.
Rader
,
Curr. Opin. Struct. Biol.
15
,
586
(
2005
).
86.
W.
Zheng
,
B. R.
Brooks
, and
D.
Thirumalai
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
103
,
7664
(
2006
).
87.
R.
Tehver
,
J.
Chen
, and
D.
Thirumalai
,
J. Mol. Biol.
387
,
390
(
2009
).
88.
O.
Marques
and
Y.-H.
Sanejouand
,
Proteins
23
,
557
(
1995
).
89.
L.
Skjaerven
,
A.
Martinez
, and
N.
Reuter
,
Proteins
79
,
232
(
2011
).
90.
M.
Damre
,
A.
Dayananda
,
R. A.
Varikoti
,
G.
Stan
, and
R. I.
Dima
,
Biophys. J.
120
,
3437
(
2021
).
91.
M. T.
Posgai
,
S.
Tonddast-Navaei
,
M.
Jayasinghe
,
G. M.
Ibrahim
,
G.
Stan
, and
A. B.
Herr
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
115
,
E8882
(
2018
).
92.
L.
González-Paz
,
C.
Lossada
,
M. L.
Hurtado-León
,
F. V.
Fernández-Materán
,
J. L.
Paz
,
S.
Parvizi
,
R. E.
Cardenas Castillo
,
F.
Romero
, and
Y. J.
Alvarado
,
ACS Omega
8
(
8
),
7302
7318
(
2023
).
93.
O. F.
Lange
and
H.
Grubmüller
,
Proteins
62
,
1053
(
2006
).
94.
L. G.
Ahuja
,
S. S.
Taylor
, and
A. P.
Kornev
,
IUBMB Life
71
,
685
(
2019
).
95.
M. C. R.
Melo
,
R. C.
Bernardi
,
C.
De La Fuente-Nunez
, and
Z.
Luthey-Schulten
,
J. Chem. Phys.
153
,
134104
(
2020
).
96.
L.
Astl
,
G.
Stetz
, and
G. M.
Verkhivker
,
J. Chem. Inf. Model.
60
,
3616
(
2020
).
97.
Y.
Yuan
,
J.
Deng
, and
Q.
Cui
,
J. Am. Chem. Soc.
144
,
10870
(
2022
).
98.
M.
Iljina
,
H.
Mazal
,
A.
Dayananda
,
Z.
Zhang
,
G.
Stan
,
I.
Riven
, and
G.
Haran
, bioRxiv:2023.02.02.526786 (
2023
).
99.
V.
Bhandari
,
K. S.
Wong
,
J. L.
Zhou
,
M. F.
Mabanglo
,
R. A.
Batey
, and
W. A.
Houry
,
ACS Chem. Biol.
13
,
1413
(
2018
).
100.
J.
Alexopoulos
,
B.
Ahsan
,
L.
Homchaudhuri
,
N.
Husain
,
Y.-Q.
Cheng
, and
J.
Ortega
,
Mol. Microbiol.
90
,
167
(
2013
).
101.
S.
Kim
,
K. L.
Zuromski
,
T. A.
Bell
,
R. T.
Sauer
, and
T. A.
Baker
,
eLife
9
,
e61451
(
2020
).
102.
J.
Weibezahn
,
C.
Schlieker
,
B.
Bukau
, and
A.
Mogk
,
J. Biol. Chem.
278
,
32608
(
2003
).
103.
S. D.
Walker
and
A. O.
Olivares
,
Biophys. J.
121
,
3907
(
2022
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.