Influenza virus presents an important and persistent threat to public health worldwide, and current vaccines provide immunity to viral isolates similar to the vaccine strain. High-affinity antibodies against a conserved epitope could provide immunity to the diverse influenza subtypes and protection against future pandemic viruses. Cocrystal structures were determined at 2.2 and 2.7 angstrom resolutions for broadly neutralizing human antibody CR6261 Fab in complexes with the major surface antigen (hemagglutinin, HA) from viruses responsible for the 1918 H1N1 influenza pandemic and a recent lethal case of H5N1 avian influenza. In contrast to other structurally characterized influenza antibodies, CR6261 recognizes a highly conserved helical region in the membrane-proximal stem of HA1 and HA2. The antibody neutralizes the virus by blocking conformational rearrangements associated with membrane fusion. The CR6261 epitope identified here should accelerate the design and implementation of improved vaccines that can elicit CR6261-like antibodies, as well as antibody-based therapies for the treatment of influenza.

An antibody against a conserved epitope broadly neutralizes group 2 influenza viruses.

How dynein makes the right moves The molecular motor cytoplasmic dynein moves a wide range of different intracellular cargoes. Dynein's activity in vivo requires another protein, dynactin, but exactly why that should be has been very unclear. Although in vitro experiments have provided some evidence that dynactin increases dynein's processivity, the resulting dynein motility has never come close to matching dynein's cargo-transporting activity in living cells. Now, McKenney et al. show that tripartite complexes of dynein, dynactin, and an adaptor molecule are highly processive in vitro, moving the sort of distances that dynein transports cargo in vivo (see the Perspective by Allan). Science , this issue p. 337 ; see also p. 271

Immune recognition of protein antigens relies on the combined interaction of multiple antibody loops, which provide a fairly large footprint and constrain the size and shape of protein surfaces that can be targeted. Single protein loops can mediate extremely high-affinity binding, but it is unclear whether such a mechanism is available to antibodies. Here we report the isolation and characterization of an antibody called C05, which neutralizes strains from multiple subtypes of influenza A virus, including H1, H2 and H3. X-ray and electron microscopy structures show that C05 recognizes conserved elements of the receptor-binding site on the haemagglutinin surface glycoprotein. Recognition of the haemagglutinin receptor-binding site is dominated by a single heavy-chain complementarity-determining region 3 loop, with minor contacts from heavy-chain complementarity-determining region 1, and is sufficient to achieve nanomolar binding with a minimal footprint. Thus, binding predominantly with a single loop can allow antibodies to target small, conserved functional sites on otherwise hypervariable antigens. The crystal structure of an influenza antibody that recognizes a small, conserved site in the variable receptor-binding domain of HA is described; this antibody shows broad neutralization across multiple subtypes of influenza A virus through an antibody–antigen interaction dominated by a single heavy-chain complementarity-determining region 3 loop. This manuscript reports the identification and structural characterization of a novel anti-influenza antibody, C05, that recognizes a small conserved site in the variable receptor-binding domain of haemagglutinin. The antibody achieves broad neutralization by the insertion of a single loop of the heavy-chain complementarity-determining region 3 into the small conserved site amplified by the avidity of additional binding interactions. This finding highlights loop insertion into the receptor-binding pocket of haemagglutinin as a possible strategy to achieve broad neutralization of influenza by vaccines and therapeutic antibodies.

An Escherichia coli dihydrofolate reductase mutant is catalytically defective, because motions in the active site are impaired.

In this study, 83 proteins containing helix–loop–helix–loop repeats were designed—with sequences unrelated to known repeat proteins—and experimentally characterized; 43 solution X-ray scattering spectra and 15 structures of the designed proteins show that these non-natural repeat proteins have a broad range of curvatures and that their overall structures are in close agreement with design models. Repeat proteins are composed of multiple tandem copies of a modular structure unit and are widespread in nature, playing critical roles in molecular recognition, signalling, and other essential biological processes. In natural repeat proteins, the interactions between adjacent units define the shape and curvature of the overall structure. Two papers published in this issue of Nature describe the design of geometrically unconstrained, open tandem repeat arrays. David Baker and colleagues used computational protein design to generate a series of proteins containing repeats of a simple 'helix-loop-helix-loop' structural motif. Data from 43 proteins with solution X-ray scattering spectra, and 15 structures of the designed proteins, show that these non-natural repeat proteins have a broad range of curvatures and that their overall structures are in close agreement with design models. Philip Bradley and colleagues used computational protein design to synthesize a series of alpha-solenoid/toroid structures that have various radii and different sized 'holes'. The authors solved X-ray crystal structures of four of the designed proteins and determined that their overall structures are in close agreement with the design models. A central question in protein evolution is the extent to which naturally occurring proteins sample the space of folded structures accessible to the polypeptide chain. Repeat proteins composed of multiple tandem copies of a modular structure unit1 are widespread in nature and have critical roles in molecular recognition, signalling, and other essential biological processes2. Naturally occurring repeat proteins have been re-engineered for molecular recognition and modular scaffolding applications3,4,5. Here we use computational protein design to investigate the space of folded structures that can be generated by tandem repeating a simple helix–loop–helix–loop structural motif. Eighty-three designs with sequences unrelated to known repeat proteins were experimentally characterized. Of these, 53 are monomeric and stable at 95 °C, and 43 have solution X-ray scattering spectra consistent with the design models. Crystal structures of 15 designs spanning a broad range of curvatures are in close agreement with the design models with root mean square deviations ranging from 0.7 to 2.5 Å. Our results show that existing repeat proteins occupy only a small fraction of the possible repeat protein sequence and structure space and that it is possible to design novel repeat proteins with precisely specified geometries, opening up a wide array of new possibilities for biomolecular engineering.

A novel variant of the SARS-CoV-2 virus carrying a point mutation in the Spike protein (D614G) has recently emerged and rapidly surpassed others in prevalence. This mutation is in linkage disequilibrium with an ORF1b protein variant (P314L), making it difficult to discern the functional significance of the Spike D614G mutation from population genetics alone. Here, we perform site-directed mutagenesis on wild-type human-codon-optimized Spike to introduce the D614G variant. Using multiple human cell lines, including human lung epithelial cells, we found that the lentiviral particles pseudotyped with Spike D614G are more effective at transducing cells than ones pseudotyped with wild-type Spike. The increased transduction with Spike D614G ranged from 1.3- to 2.4-fold in Caco-2 and Calu-3 cells expressing endogenous ACE2 and from 1.5- to 7.7-fold in A549 ACE2 and Huh7.5 ACE2 overexpressing ACE2. Furthermore, trans -complementation of SARS-CoV-2 virus with Spike D614G showed an increased infectivity in human cells. Although there is minimal difference in ACE2 receptor binding between the D614 and G614 Spike variants, the G614 variant is more resistant to proteolytic cleavage, suggesting a possible mechanism for the increased transduction.

Abstract A goal of de novo protein design is to develop a systematic and robust approach to generating complex nanomaterials from stable building blocks. Due to their structural regularity and simplicity, a wide range of monomeric repeat proteins and oligomeric helical bundle structures have been designed and characterized. Here we describe a stepwise hierarchical approach to building up multi-component symmetric protein assemblies using these structures. We first connect designed helical repeat proteins (DHRs) to designed helical bundle proteins (HBs) to generate a large library of heterodimeric and homooligomeric building blocks; the latter have cyclic symmetries ranging from C2 to C6. All of the building blocks have repeat proteins with accessible termini, which we take advantage of in a second round of architecture guided rigid helical fusion (WORMS) to generate larger symmetric assemblies including C3 and C5 cyclic and D2 dihedral rings, a tetrahedral cage, and a 120 subunit icosahedral cage. Characterization of the structures by small angle x-ray scattering, x-ray crystallography, and cryo-electron microscopy demonstrates that the hierarchical design approach can accurately and robustly generate a wide range of macromolecular assemblies; with a diameter of 43nm, the icosahedral nanocage is the largest structurally validated designed cage to date. The computational methods and building block sets described here provide a very general route to new de novo designed symmetric protein nanomaterials.

Abstract Cryo-FIB/SEM combined with cryo-ET has emerged from within the field of cryo-EM as the method for obtaining the highest resolution structural information of complex biological samples in-situ in native and non-native environments. However, challenges remain in conventional cryo-FIB/SEM workflows, including milling thick specimens that do not vitrify well, specimens with preferred orientation, low-throughput when milling small and/or low concentration specimens, and cellular specimens that distribute poorly across grid squares. Here we present a general approach we call the ‘Waffle Method’ which leverages high-pressure freezing to address these challenges. We illustrate the mitigation of these challenges by applying the Waffle Method and cryo-ET to reveal the macrostructure of the polar tube in microsporidian spores in multiple complementary orientations, which was previously not possible due to preferred orientation of the spores on the grid. We demonstrate the broadness of the Waffle Method by applying it to three additional cellular samples and a single particle sample using a variety of cryo-FIB-milling hardware, with both manual and automated approaches. We also present a unique and critical stress-relief gap designed specifically for waffled lamellae. Additionally, we describe applications of the Waffle Method which are currently being explored. We propose the Waffle Method as a way to achieve many of the advantages of cryo-liftout on the specimen grid while avoiding the long, challenging, and technically-demanding process required for cryo-liftout.

In double-membraned bacteria, phospholipids must be transported across the cell envelope to maintain the outer membrane barrier, which plays a key role in antibiotic resistance and pathogen virulence. The Mla system has been implicated in phospholipid trafficking and outer membrane integrity, and includes an ABC transporter complex, MlaFEDB. The transmembrane subunit, MlaE, has minimal sequence similarity to other ABC transporters, and the structure of the entire inner membrane MlaFEDB complex remains unknown. Here we report the cryo-EM structure of the MlaFEDB complex at 3.05 Å resolution. Our structure reveals that while MlaE has many distinct features, it is distantly related to the LPS and MacAB transporters, as well as the eukaryotic ABCA/ABCG families. MlaE adopts an outward-open conformation, resulting in a continuous pathway for phospholipid transport from the MlaE substrate-binding site to the pore formed by the ring of MlaD. Unexpectedly, two phospholipids are bound in the substrate-binding pocket of MlaFEDB, raising the possibility that multiple lipid substrates may be translocated each transport cycle. Site-specific crosslinking confirms that lipids bind in this pocket in vivo . Our structure provides mechanistic insight into substrate recognition and transport by the MlaFEDB complex.