Protein protein interactions in complex cosolvent solutions revealed by synchrotron small angle x-ray scattering

In dieser Arbeit wurden die intermolekularen Wechselwirkungen zwischen zwei Proteinen in Lösung charakterisiert, welche unterschiedliche Implikationen haben und von essentieller Wichtigkeit - reichend von in vivo zu in vitro Szenarien - sind. Protein-Protein-Wechselwirkungen spielen eine wichtige Rolle in einer ganzen Bandbreite von Prozessen, wie bei pathologischen Störungen (Katarakt des menschlichen Auges, Alzheimer und Parkinson), der Herstellung dynamisch gefangener Zustände, der Stabilisierung und Reinigung von Proteinen, der Applikation von Protein-Pharmaka mit Cosolventien als Wechselwirkungs-Modulatoren sowie der Kristallisation von Proteinen zur Bestimmung ihrer dreidimensionalen Struktur. Die Effekte verschiedener kosmotroper sowie chaotroper Cosolventien und Salze auf das intermolekulare Wechselwirkungspotential V(r) der Proteine Lysozym und Insulin und die jeweiligen repulsiven und attraktiven Anteile wurden bei verschiedenen Proteinkonzentrationen mittels Synchrotron Röntgen-Kleinwinkelstreuung in Kombination mit Flüssigkeits-theoretischen Modellen bestimmt. Der experimentell gewonnene Strukturfaktor S(Q), erhalten aus den Streukurven verschiedener Proteinlösung in An- und Abwesenheit von Cosolventien und Salzen, wurde mit einem statistisch-mechanischen Modell angefittet, welches auf dem DLVO-Potential basiert und die repulsiven sowie attraktiven Wechselwirkungen zwischen den Proteinmolekülen berücksichtigt. Die sog. Random Phase Approxiamtion (RPA) wurde zur Berechnung des theoretischen Strukturfaktors verwendet, welches aus einem Potential harter, undurchdringlicher Kugeln (“hard sphere potential”) als Referenzsystem sowie der Summe aus einer repulsiven, abgeschirmten Coulomb-Wechselwirkung (VC(r)) und einem attraktiven Yukawa-Potential (VY(r)) als Störpotential besteht. Das attraktive Yukawa-Potential wird als Summe der van-der-Waals Wechselwirkungen und des attraktiven osmotischen Potentials aufgrund des Ausschlussvolumen-Effekts der Salzionen aufgefasst. Die Streudaten des nativ stabilen globulären Proteins Lysozym in Lösung zeigen, dass Effekte intermolekularer Wechselwirkungen von Lysozymlösungen oberhalb von ~ 1 % (w/v) signifikant sind, und die Streumuster für Konzentrationen bei und oberhalb von 4 % (w/v) weisen starke intermolekulare Korrelationssignale auf. Die repulsive Natur von V(r) vergrößert sich mit ansteigender Proteinkonzentration. So steigt z.B. die Tiefe des Potentialtopfs von VY(r) von –3,75 kBT für die 4 %ige Lösung auf –2,5 kBT für die 10 %ige Proteinlösung. Die Zugabe kosmotroper Cosolventien wie Glycerin und Sucrose führt zu stark konzentrationsabhängigen Effekten auf das Wechselwirkungspotential. Wie durch ergänzende PPC („Pressure Pertubation Calorimetry“)-Messungen gezeigt, erhöhen diese proteinstabilisierenden Agenzien die Stärke der Hydratation und führen so zu einer Erhöhung der abstoßenden Kräfte zwischen den Proteinmolekülen. Dieser Effekt fällt für Sucrose stärker aus, da hierfür ein größeres sterisches Ausschlussvolumen aufgrund des größeren Volumens der Sucrosemoleküle erwartet werden kann; und in der Tat ist dies in Übereinstimmung mit der erhöhten Kapazität zur preferentiellen Hydratation („preferential hydration“) dieses Osmolyten. So steigt z.B. die Höhe des Potentialtopfes von VY(r) deutlich von –3,75 kBT für die 4 %ige Lösung auf –2,25 kBT für die Proteinlösung mit nur 0,5 M Sucrose. In diesem Konzentrationsbereich wirken sowohl Glycerin als auch Sucrose in der Art, dass sie die Abstoßung zwischen den Proteinmolekülen vergrößern, wahrscheinlich indem sie die Stärke und Ausdehnung der Hydratationsschicht erhöhen. Dieser Effekt der Erhöhung der repulsiven Kräfte führt zu mehr Ordnung im Nahbereich zwischen den Proteinmolekülen. Nur bei sehr hohen Osmolytkonzentrationen (jenseits von 1 M), ist eine ausreichende Hydratation des Proteins nicht mehr möglich (in Einklang mit kalorimetrischen Daten [Ravindra und Winter, 2003, sowie Ravindra und Winter, 2004]), und der Effekt könnte sich umkehren. Trifluorethanol (TFE) weist mit sich ändernder Konzentration einen multiphasischen Effekt auf V(r). Bei Zugabe von 10 % TFE werden die intermolekularen Wechselwirkungen repulsiver, ähnlich wie bei den Osmolyten Glycerin und Sucrose. Bei höheren Konzentrationen (35 %) ändert sich das Bild. Aufgrund der drastisch erhöhten dielektrischen Permeabilität des Mediums werden sowohl der attraktive sowie der repulsive Teil des Wechselwirkungspotentials erhöht. Zusätzlich, als ein Effekt des stark verminderten Werts von , wird eine Exposition hydrophober Reste energetisch günstiger, was zu einer teilweisen Entfaltung (in Übereinstimmung mit einem erhöhten Gyrationsradius Rg) und zu erhöhten hydrophoben Wechselwirkungen der Proteinmoleküle führt. Die Tiefe des Potentialtopfes von VY(r) sinkt auf –7,75 kBT für die 4 %ige (w/v) Lösung. Salze wie Natriumchlorid und Kaliumsulfat bewirken eine stark konzentrationsabhängige Änderung des attraktiven Potentials aufgrund der Abschirmung der positiven Ladungen der Proteinmoleküle. Mit ansteigender Salzkonzentration sinkt die Tiefe des Potentialtopfes von VY(r) von –3,75 kBT für 0 mM NaCl auf –4,75 kBT für 50 mM, –8,25 kBT für 100 mM bis auf –13 kBT für 200 mM NaCl sowie auf –13 kBT für 250 mM K2SO4. Bei hohen Proteinkonzentrationen wird hier die Grenze des verwendeten Modells erreicht, da die Proteine in diesem stark attraktiven Regime Oligomere bilden. Mit ansteigender SO42--Konzentration setzt die Präzipitation des Proteins ein. Guanidiumchlorid, ein vielfach eingesetztes, chaotropes Agens, weist einen vergleichbaren Abschirmungseffekt auf, der zu erhöhten attraktiven Wechselwirkungen zwischen den Proteinmolekülen führt. Bei hohen GdmCl-Konzentrationen (3,5 M) jedoch wird V(r) repulsiver, was darin begründet sein könnte, dass bei hohen Gdm+-Konzentrationen dieses Ion an das Protein bindet und so zu einer verstärkten elektrostatischen Abstoßung führt. Diese Abstoßung könnte weiterhin daran liegen, dass bei höheren GdmCl-Konzentrationen die Ausdehnung und Hydratation des Proteins aufgrund der teilweisen Entfaltung des Moleküls zu steigen beginnt (Rg erhöht sich um ~ 7%), was ebenfalls ein Anstieg der repulsiven Wechselwirkungen bewirkt. Bei noch höheren GdmCl-Konzentrationen setzt eine ausgeprägte Entfaltung und die Bildung verschiedener Populationen von Proteinspezies ein, so dass das verwendete theoretische Modell nicht weiter anwendbar ist. Schließlich unterstreicht dieser Teil der Arbeit die Notwendigkeit, die Solvatation und intermolekularen Wechselwirkungen von Proteinen genau zu verstehen und zu quantifizieren, um den physikalisch-chemischen Eigenschaften von Proteinen - auch bei niedrigen Salz- und Cosolventkonzentrationen - Rechnung zu tragen. Im Besonderen muss betont werden, dass diese Befunde zeigen, dass bei der Berechnung thermodynamischer Größen von Proteinen Aktivitätskoeffizienten generell oberhalb einer Konzentration von 1 % (w/v) aufgrund der signifikanten intermolekularen Wechselwirkungen nicht vernachlässigbar sind. In den meisten biochemischen und biophysikalischen Studien wird dies jedoch getan. Viele Studien haben gezeigt, dass die Proteinaggregation und Fibrillbildung von Natur aus ein Nukleations- und Wachstumsprozess ist, bei dem Aggregate akkumulieren, bis sie eventuell ihre Löslichkeit überschreiten und präzipitieren. Die Existenz einer Verzögerungsphase („lag phase“) bei der Aggregation wird durch eine energetische Barriere bei der Nukleation verursacht. Diese Barriere beim Zusammenbau der Moleküle kann orientierungsspezifisch sein. Falls eine Orientierung mit niedrigerer freier Energie bei der Clusterbildung existiert, so wird das Wachstum vornehmlich in dieser Orientierung voranschreiten, was zu einer geordneten Struktur des Aggregats führt, wie z.B. zu Fibrillen. Um den Anteil von V(r) aufzuklären, der für die Initiation des protein-fibrillären Self-assembly verantwortlich ist, wurde S(Q) für Insulinlösungen verschiedener Konzentration unter ladungsabschirmenden Bedingungen (Zusatz von NaCl), nicht ladungsabschirmenden Bedingungen sowie in Anwesenheit von 20 % (v/v) Ethanol im prä-aggregierten Zustand bestimmt. Die attraktiven und repulsiven Wechselwirkungspotentiale wurden durch Fitten des experimentellen Strukturfaktors S(Q) berechnet, um Informationen über den Initiationsprozess der Aggregation und Fibrillbildung bezüglich der intermolekularen Wechselwirkung zu erhalten. Überraschenderweise ist das Maximum von S(Q) im Wesentlichen unabhängig von der Insulinkonzentration, was aufzeigt, dass die Insulinpartikel sich in Gleichgewichts-Clustern mit einer konzentrationsabhängigen Aggregationszahl zusammenlagern, anstatt eine räumlich homogene Verteilung von Proteinpartikeln einzunehmen. Der Potentialtopf von VY(r) sinkt drastisch auf –18, –27 und –32 kBT für Insulinkonzentrationen von 1, 4 bzw. 10 % (w/v). Im Gegensatz dazu ist der attraktive Teil von VY(r) für Lysozym, welches ein stabiles Protein darstellt, wesentlich kleiner und weist eine andere Konzentrationsabhängigkeit auf. Der deutliche Anstieg der attraktiven Wechselwirkungen für Insulin zeigt, dass die kurzreichweitigen van-der-Waals -und wahrscheinlich auch spezifischen hydrophoben Wechselwirkungen des teilentfalteten Insulinmoleküls (welches hydrophobe „Patches“ exponiert) schon bei vergleichsweise niedrigen Konzentrationen und Temperaturen (25 °C) sehr stark sind. Unter Ladungsabschirmung des positiv geladenen Insulins in Anwesenheit von 0,1 M NaCl wird eine drastische Abnahme der Potentialtopftiefe von VY(r) beobachtet, welche –38 kBT in der 1 %igen (w/v) und –50 kBT in der 4 %igen (w/v) Insulinlösung beträgt. Dieser deutliche Anstieg der attraktiven Wechselwirkungen erklärt die erhöhte Rate der Proteinaggregation und Fibrillbildung unter ladungsabschirmenden Bedingungen. Um herauszufinden, wie die intermolekularen Wechselwirkungen von den Lösungsbedingungen und den initialen, zur Aggregation neigenden Insulinspezies abhängen, wurden weitere Experimente durchgeführt, unter denen Insulin nur als Monomer vorliegt. Die Daten zeigen, dass die Tiefe und die Reichweite von VY(r) in Anwesenheit von 20 % (v/v) Ethanol etwa ~ 10 % kleiner sind als diejenigen des dimeren Proteins in Wasser. Es ist sehr wahrscheinlich, dass die erhöhte Hydrophobizität des Lösungsmittels teilweise den hydrophoben Teil der attraktiven Wechselwirkungen aufhebt, was im Einklang mit dem Befund ist, dass die Zugabe von Ethanol den Nukleationsprozess der Fibrillbildung von Insulin verzögert. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Kombination einer schwach abgeschirmten, langreichweitigen Abstoßung und eine signifikante, kurzreichweitige Anziehung zu einer ausgeprägten Bildung von Gleichgewichts-Clustern von zur Aggregation neigenden Proteinen führt. Der teilentfaltete Zustand von Insulin weist hydrophobe „Patches“ auf, die zu einem drastischen Anstieg ortsspezifischer, kurzreichweitiger und hydrophober Wechselwirkungen in Form von Clustern in diesem Aggregations-Vorstadium führen. Dies geschieht bereits unter Bedingungen, die fern von denjenigen sind, unter denen die eigentliche Aggregation und Fibrillbildung einsetzt. In anderen Worten: Es geschieht, bevor die Entropie der freigesetzten Hydratationsschichten und die attraktiven Kräfte der kurzreichweitigen Wasserstoffbrückenbindungen genug treibende Kraft vermitteln können, um die Kontaktflächen zu „trocknen“ und geordnete, fibrilläre Strukturen zu formen. Derlei Vorgänge finden auf kurzer Zeitskala bei höheren Temperaturen statt. Der hier verwendete Ansatz ist in der Lage, auffallende Unterschiede der Wechselwirkungspotentiale von zur Aggregation neigenden Proteinen wie Insulin, und nativ stabilen, globulären Proteinen wie Lysozym unter verschiedenen Bedingungen von Hydratation, Solvatation, Hydrophobizität und Ladungsabschirmung aufzuzeigen. Er könnte daher in weiteren Studien über andere, mehr krankheitsbezogene amyloide Proteine, wie das Alzheimer-Peptid oder dem Prion-Protein, Verwendung finden. Die Kenntnis der Wechselwirkungskräfte könnte es erlauben, die Aggregation amyloider Proteine gezielt zu kontrollieren

Security assessment framework for educational ERP systems

The educational ERP systems have vulnerabilities at the different layers such as version-specific vulnerabilities, configuration level vulnerabilities and vulnerabilities of the underlying infrastructure. This research has identified security vulnerabilities in an educational ERP system with the help of automated tools; penetration testing tool and public vulnerability repositories (CVE, CCE) at all layers. The identified vulnerabilities are analyzed for any false positives and then clustered with mitigation techniques, available publicly in security vulnerability solution repository like CCE and CWE. These mitigation techniques are mapped over reported vulnerabilities using mapping algorithms. Security vulnerabilities are then prioritized based on the Common Vulnerability Scoring System (CVSS). Finally, open standards-based vulnerability mitigation recommendations are discussed

HEALTH STATUS AND IMPRISONMENT PROFILE OF JAIL INMATES OF DISTRICT JAIL RAHIM YAR KHAN, PAKISTAN

Out of 850 total prisoners of district jail, Rahim Yar Khan, 100 were selected at random and examined for prevalence of HIV. Apart from HIV screening, data was collected about different diseases, narcotics use, occupations, reasons for imprisonment, ages and marital status of the prisoners through a questionnaire. None of these prisoners was suffering from HIV, the results regarding narcotics habits showed that 3% of the prisoners were used to bhang, 4% took heroin, 5% were using snuff, 34% cigarette smokers and 54% were not taking any narcotics. Nineteen percent of the prisoners suffered from various diseases like asthma, allergy, chest infection, hernia, heart problem, jaundice, lung infection, ulcer, weakness, typhoid and gastric problems whereas 81% were healthy

Cooperative self-assembly of peptide gelators and proteins

Molecular self-assembly provides a versatile route for the production of nanoscale materials for medical and technological applications. Herein, we demonstrate that the cooperative self-assembly of amphiphilic small molecules and proteins can have drastic effects on supramolecular nanostructuring of resulting materials. We report that mesoscale, fractal-like clusters of proteins form at concentrations that are orders of magnitude lower compared to those usually associated with molecular crowding at room temperature. These protein clusters have pronounced effects on the molecular self-assembly of aromatic peptide amphiphiles (fluorenylmethoxycarbonyl- dipeptides), resulting in a reversal of chiral organization and enhanced order through templating and binding. Moreover, the morphological and mechanical properties of the resultant nanostructured gels can be controlled by the cooperative self-assembly of peptides and protein fractal clusters, having implications for biomedical applications where proteins and peptides are both present. In addition, fundamental insights into cooperative interplay of molecular interactions and confinement by clusters of chiral macromolecules is relevant to gaining understanding of the molecular mechanisms of relevance to the origin of life and development of synthetic mimics of living systems

Pathway-dependent gold nanoparticle formation by biocatalytic self-assembly

YesWe report on the use of non-equillibrium biocatalytic self-assembly and gelation to guide the reductive synthesis of gold nanoparticles. We show that biocatalytic rates simultaneously dictate supramolecular order and presentation of reductive phenols which in turn results in size control of nanoparticles that are formed.BBSRC funding (BB/K007513/1); European Research Council under the European Union’s Seventh Framework Programme, ERC (Starting Grant EMERgE) grant agreement no. 258775

Tunable supramolecular gel properties by varying thermal history

YesThe possibility of using differential pre‐heating prior to supramolecular gelation to control the balance between hydrogen‐bonding and aromatic stacking interactions in supramolecular gels and obtain consequent systematic regulation of structure and properties is demonstrated. Using a model aromatic peptide amphiphile, Fmoc‐tyrosyl‐leucine (Fmoc‐YL) and a combination of fluorescence, infrared, circular dichroism and NMR spectroscopy, it is shown that the balance of these interactions can be adjusted by temporary exposure to elevated temperatures in the range 313–365 K, followed by supramolecular locking in the gel state by cooling to room temperature. Distinct regimes can be identified regarding the balance between H‐bonding and aromatic stacking interactions, with a transition point at 333 K. Consequently, gels can be obtained with customizable properties, including supramolecular chirality and gel stiffness. The differential supramolecular structures also result in changes in proteolytic stability, highlighting the possibility of obtaining a range of supramolecular architectures from a single molecular structure by simply controlling the pre‐assembly temperature.FP7 Ideas: European Research Council. Grant Number: 25877

Investigation of molecular and mesoscale clusters in undersaturated glycine aqueous solutions

YesIn this work DLS, NTA, SAXS and NMR were used to investigate populations, size distributions and structure of clusters in undersaturated aqueous solutions of glycine. Molecular and colloidal scale (mesoscale) clusters with radii around 0.3-0.5 nm and 100–150 nm, respectively, were observed using complementary experimental techniques. Molecular clusters are consistent with hydrated glycine dimers present in equilibrium with glycine monomers in aqueous solutions. Mesoscale clusters previously observed in supersaturated glycine solutions appear to be indefinitely stable, in mutual equilibrium within mesostructured undersaturated solutions across all glycine concentrations investigated here, down to as low as 1 mg/g of water.Supported by EPSRC funding via the SynBIM project (Grant Reference EP/P0068X/1) and by the Synchrotron SOLEIL

Global, regional, and national burden of disorders affecting the nervous system, 1990–2021: a systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2021

BackgroundDisorders affecting the nervous system are diverse and include neurodevelopmental disorders, late-life neurodegeneration, and newly emergent conditions, such as cognitive impairment following COVID-19. Previous publications from the Global Burden of Disease, Injuries, and Risk Factor Study estimated the burden of 15 neurological conditions in 2015 and 2016, but these analyses did not include neurodevelopmental disorders, as defined by the International Classification of Diseases (ICD)-11, or a subset of cases of congenital, neonatal, and infectious conditions that cause neurological damage. Here, we estimate nervous system health loss caused by 37 unique conditions and their associated risk factors globally, regionally, and nationally from 1990 to 2021.MethodsWe estimated mortality, prevalence, years lived with disability (YLDs), years of life lost (YLLs), and disability-adjusted life-years (DALYs), with corresponding 95% uncertainty intervals (UIs), by age and sex in 204 countries and territories, from 1990 to 2021. We included morbidity and deaths due to neurological conditions, for which health loss is directly due to damage to the CNS or peripheral nervous system. We also isolated neurological health loss from conditions for which nervous system morbidity is a consequence, but not the primary feature, including a subset of congenital conditions (ie, chromosomal anomalies and congenital birth defects), neonatal conditions (ie, jaundice, preterm birth, and sepsis), infectious diseases (ie, COVID-19, cystic echinococcosis, malaria, syphilis, and Zika virus disease), and diabetic neuropathy. By conducting a sequela-level analysis of the health outcomes for these conditions, only cases where nervous system damage occurred were included, and YLDs were recalculated to isolate the non-fatal burden directly attributable to nervous system health loss. A comorbidity correction was used to calculate total prevalence of all conditions that affect the nervous system combined.FindingsGlobally, the 37 conditions affecting the nervous system were collectively ranked as the leading group cause of DALYs in 2021 (443 million, 95% UI 378–521), affecting 3·40 billion (3·20–3·62) individuals (43·1%, 40·5–45·9 of the global population); global DALY counts attributed to these conditions increased by 18·2% (8·7–26·7) between 1990 and 2021. Age-standardised rates of deaths per 100 000 people attributed to these conditions decreased from 1990 to 2021 by 33·6% (27·6–38·8), and age-standardised rates of DALYs attributed to these conditions decreased by 27·0% (21·5–32·4). Age-standardised prevalence was almost stable, with a change of 1·5% (0·7–2·4). The ten conditions with the highest age-standardised DALYs in 2021 were stroke, neonatal encephalopathy, migraine, Alzheimer's disease and other dementias, diabetic neuropathy, meningitis, epilepsy, neurological complications due to preterm birth, autism spectrum disorder, and nervous system cancer.InterpretationAs the leading cause of overall disease burden in the world, with increasing global DALY counts, effective prevention, treatment, and rehabilitation strategies for disorders affecting the nervous system are needed

Global burden of 288 causes of death and life expectancy decomposition in 204 countries and territories and 811 subnational locations, 1990–2021: a systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2021

BACKGROUND Regular, detailed reporting on population health by underlying cause of death is fundamental for public health decision making. Cause-specific estimates of mortality and the subsequent effects on life expectancy worldwide are valuable metrics to gauge progress in reducing mortality rates. These estimates are particularly important following large-scale mortality spikes, such as the COVID-19 pandemic. When systematically analysed, mortality rates and life expectancy allow comparisons of the consequences of causes of death globally and over time, providing a nuanced understanding of the effect of these causes on global populations. METHODS The Global Burden of Diseases, Injuries, and Risk Factors Study (GBD) 2021 cause-of-death analysis estimated mortality and years of life lost (YLLs) from 288 causes of death by age-sex-location-year in 204 countries and territories and 811 subnational locations for each year from 1990 until 2021. The analysis used 56 604 data sources, including data from vital registration and verbal autopsy as well as surveys, censuses, surveillance systems, and cancer registries, among others. As with previous GBD rounds, cause-specific death rates for most causes were estimated using the Cause of Death Ensemble model-a modelling tool developed for GBD to assess the out-of-sample predictive validity of different statistical models and covariate permutations and combine those results to produce cause-specific mortality estimates-with alternative strategies adapted to model causes with insufficient data, substantial changes in reporting over the study period, or unusual epidemiology. YLLs were computed as the product of the number of deaths for each cause-age-sex-location-year and the standard life expectancy at each age. As part of the modelling process, uncertainty intervals (UIs) were generated using the 2·5th and 97·5th percentiles from a 1000-draw distribution for each metric. We decomposed life expectancy by cause of death, location, and year to show cause-specific effects on life expectancy from 1990 to 2021. We also used the coefficient of variation and the fraction of population affected by 90% of deaths to highlight concentrations of mortality. Findings are reported in counts and age-standardised rates. Methodological improvements for cause-of-death estimates in GBD 2021 include the expansion of under-5-years age group to include four new age groups, enhanced methods to account for stochastic variation of sparse data, and the inclusion of COVID-19 and other pandemic-related mortality-which includes excess mortality associated with the pandemic, excluding COVID-19, lower respiratory infections, measles, malaria, and pertussis. For this analysis, 199 new country-years of vital registration cause-of-death data, 5 country-years of surveillance data, 21 country-years of verbal autopsy data, and 94 country-years of other data types were added to those used in previous GBD rounds. FINDINGS The leading causes of age-standardised deaths globally were the same in 2019 as they were in 1990; in descending order, these were, ischaemic heart disease, stroke, chronic obstructive pulmonary disease, and lower respiratory infections. In 2021, however, COVID-19 replaced stroke as the second-leading age-standardised cause of death, with 94·0 deaths (95% UI 89·2-100·0) per 100 000 population. The COVID-19 pandemic shifted the rankings of the leading five causes, lowering stroke to the third-leading and chronic obstructive pulmonary disease to the fourth-leading position. In 2021, the highest age-standardised death rates from COVID-19 occurred in sub-Saharan Africa (271·0 deaths [250·1-290·7] per 100 000 population) and Latin America and the Caribbean (195·4 deaths [182·1-211·4] per 100 000 population). The lowest age-standardised death rates from COVID-19 were in the high-income super-region (48·1 deaths [47·4-48·8] per 100 000 population) and southeast Asia, east Asia, and Oceania (23·2 deaths [16·3-37·2] per 100 000 population). Globally, life expectancy steadily improved between 1990 and 2019 for 18 of the 22 investigated causes. Decomposition of global and regional life expectancy showed the positive effect that reductions in deaths from enteric infections, lower respiratory infections, stroke, and neonatal deaths, among others have contributed to improved survival over the study period. However, a net reduction of 1·6 years occurred in global life expectancy between 2019 and 2021, primarily due to increased death rates from COVID-19 and other pandemic-related mortality. Life expectancy was highly variable between super-regions over the study period, with southeast Asia, east Asia, and Oceania gaining 8·3 years (6·7-9·9) overall, while having the smallest reduction in life expectancy due to COVID-19 (0·4 years). The largest reduction in life expectancy due to COVID-19 occurred in Latin America and the Caribbean (3·6 years). Additionally, 53 of the 288 causes of death were highly concentrated in locations with less than 50% of the global population as of 2021, and these causes of death became progressively more concentrated since 1990, when only 44 causes showed this pattern. The concentration phenomenon is discussed heuristically with respect to enteric and lower respiratory infections, malaria, HIV/AIDS, neonatal disorders, tuberculosis, and measles. INTERPRETATION Long-standing gains in life expectancy and reductions in many of the leading causes of death have been disrupted by the COVID-19 pandemic, the adverse effects of which were spread unevenly among populations. Despite the pandemic, there has been continued progress in combatting several notable causes of death, leading to improved global life expectancy over the study period. Each of the seven GBD super-regions showed an overall improvement from 1990 and 2021, obscuring the negative effect in the years of the pandemic. Additionally, our findings regarding regional variation in causes of death driving increases in life expectancy hold clear policy utility. Analyses of shifting mortality trends reveal that several causes, once widespread globally, are now increasingly concentrated geographically. These changes in mortality concentration, alongside further investigation of changing risks, interventions, and relevant policy, present an important opportunity to deepen our understanding of mortality-reduction strategies. Examining patterns in mortality concentration might reveal areas where successful public health interventions have been implemented. Translating these successes to locations where certain causes of death remain entrenched can inform policies that work to improve life expectancy for people everywhere. FUNDING Bill & Melinda Gates Foundation