Abstract Inducible defenses, which provide enhanced resistance after initial attack, are nearly universal in plants. This defense signaling cascade is mediated by the synthesis, movement, and perception of jasmonic acid and related plant metabolites. To characterize the long-term persistence of plant immunity, we challenged Arabidopsis (Arabidopsis thaliana) and tomato (Solanum lycopersicum) with caterpillar herbivory, application of methyl jasmonate, or mechanical damage during vegetative growth and assessed plant resistance in subsequent generations. Here, we show that induced resistance was associated with transgenerational priming of jasmonic acid-dependent defense responses in both species, caused caterpillars to grow up to 50% smaller than on control plants, and persisted for two generations in Arabidopsis. Arabidopsis mutants that are deficient in jasmonate perception (coronatine insensitive1) or in the biogenesis of small interfering RNA (dicer-like2 dicer-like3 dicer-like4 and nuclear RNA polymerase d2a nuclear RNA polymerase d2b) do not exhibit inherited resistance. The observation of inherited resistance in both the Brassicaceae and Solanaceae suggests that this trait may be more widely distributed in plants. Epigenetic resistance to herbivory thus represents a phenotypically plastic mechanism for enhanced defense across generations.

Gangliosides are a family of sialic acid-containing glycosphingolipids highly enriched in the mammalian nervous system. Although they are the major sialoglycoconjugates in the brain, their neurobiological functions remain poorly defined. By disrupting the gene for a key enzyme in complex ganglioside biosynthesis (GM2/GD2 synthase; EC 2.4.1.92 ) we generated mice that express only simple gangliosides (GM3/GD3) and examined their central and peripheral nervous systems. The complex ganglioside knockout mice display decreased central myelination, axonal degeneration in both the central and peripheral nervous systems, and demyelination in peripheral nerves. The pathological features of their nervous system closely resemble those reported in mice with a disrupted gene for myelin-associated glycoprotein (MAG), a myelin receptor that binds to complex brain gangliosides in vitro . Furthermore, GM2/GD2 synthase knockout mice have reduced MAG expression in the central nervous system. These results indicate that complex gangliosides function in central myelination and maintaining the integrity of axons and myelin. They also support the theory that complex gangliosides are endogenous ligands for MAG. The data extend and clarify prior observations on a similar mouse model, which reported only subtle conduction defects in their nervous system [Takamiya, K., Yamamoto, A., Furukawa, K., Yamashiro, S., Shin, M., Okada, M., Fukumoto, S., Haraguchi, M., Takeda, N., Fujimura, K., et al. (1996) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 93, 10662–10667].

KCNQ1 is the pore-forming subunit of cardiac slow-delayed rectifier potassium (IKs) channels. Mutations in the kcnq1 gene are the leading cause of congenital long QT syndrome (LQTS). Here, we present the cryoelectron microscopy (cryo-EM) structure of a KCNQ1/calmodulin (CaM) complex. The conformation corresponds to an “uncoupled,” PIP2-free state of KCNQ1, with activated voltage sensors and a closed pore. Unique structural features within the S4-S5 linker permit uncoupling of the voltage sensor from the pore in the absence of PIP2. CaM contacts the KCNQ1 voltage sensor through a specific interface involving a residue on CaM that is mutated in a form of inherited LQTS. Using an electrophysiological assay, we find that this mutation on CaM shifts the KCNQ1 voltage-activation curve. This study describes one physiological form of KCNQ1, depolarized voltage sensors with a closed pore in the absence of PIP2, and reveals a regulatory interaction between CaM and KCNQ1 that may explain CaM-mediated LQTS.

Nitrate is a primary nutrient for plant growth, but its levels in soil can fluctuate by several orders of magnitude. Previous studies have identified Arabidopsis NRT1.1 as a dual-affinity nitrate transporter that can take up nitrate over a wide range of concentrations. The mode of action of NRT1.1 is controlled by phosphorylation of a key residue, Thr 101; however, how this post-translational modification switches the transporter between two affinity states remains unclear. Here we report the crystal structure of unphosphorylated NRT1.1, which reveals an unexpected homodimer in the inward-facing conformation. In this low-affinity state, the Thr 101 phosphorylation site is embedded in a pocket immediately adjacent to the dimer interface, linking the phosphorylation status of the transporter to its oligomeric state. Using a cell-based fluorescence resonance energy transfer assay, we show that functional NRT1.1 dimerizes in the cell membrane and that the phosphomimetic mutation of Thr 101 converts the protein into a monophasic high-affinity transporter by structurally decoupling the dimer. Together with analyses of the substrate transport tunnel, our results establish a phosphorylation-controlled dimerization switch that allows NRT1.1 to uptake nitrate with two distinct affinity modes. A description of the crystal structure of unphosphorylated NRT1.1 provides insights into how phosphorylation switches the nitrate transporter between the low-affinity and high-affinity states. Soil levels of nitrate, a primary nutrient for plant growth, can vary dramatically. Plants therefore need a versatile mechanism for obtaining nitrate from the environment. In the model plant Arabidopsis thaliana, the dual-affinity transporter NRT1.1 can take up nitrate across a broad range of concentrations, switching from low- to high-affinity mode according to the phosphorylation status of a key threonine residue. Two studies published in this issue of Nature describe the crystal structures of full-length NRT1.1, providing insights into how this post-translational modification switches the transporter between the low-affinity and high-affinity states.

KCNQ1, also known as Kv7.1, is a voltage-dependent K+ channel that regulates gastric acid secretion, salt and glucose homeostasis, and heart rhythm. Its functional properties are regulated in a tissue-specific manner through co-assembly with beta subunits KCNE1–5. In non-excitable cells, KCNQ1 forms a complex with KCNE3, which suppresses channel closure at negative membrane voltages that otherwise would close it. Pore opening is regulated by the signaling lipid PIP2. Using cryoelectron microscopy (cryo-EM), we show that KCNE3 tucks its single-membrane-spanning helix against KCNQ1, at a location that appears to lock the voltage sensor in its depolarized conformation. Without PIP2, the pore remains closed. Upon addition, PIP2 occupies a site on KCNQ1 within the inner membrane leaflet, which triggers a large conformational change that leads to dilation of the pore's gate. It is likely that this mechanism of PIP2 activation is conserved among Kv7 channels.

Summary Mutations in LRRK2 are the most common genetic cause of late-onset Parkinson’s disease (PD). LRRK2 encodes the leucine-rich repeat kinase 2 (LRRK2), whose kinase activity is regulated by Rab29, a membrane-anchored GTPase. However, molecular mechanisms underlying Rab29-dependent recruitment and activation of LRRK2 remain unclear. Here we report cryo-EM structures of LRRK2–Rab29 complexes in three oligomeric states, illustrating snapshots of key steps during LRRK2 membrane recruitment and activation. Rab29 binds to the ARM domain of LRRK2, and disruption at the interface abrogates LRRK2 kinase activity. Activation of LRRK2 is underpinned by the formation of an unexpected Rab29-induced super-assembly containing two central kinase-active and two peripheral kinase-inactive LRRK2 protomers. Central protomers undergo pronounced oligomerization-associated rearrangements and adopt an active conformation. Our work reveals the structural mechanism for LRRK2’s spatial regulation controlled by Rab GTPases, provides mechanistic insights into pathogenic mutations and identifies new opportunities to design LRRK2 inhibitors for PD treatment.

There is an urgent need to develop effective interventions resistant to the evolving variants of SARS-CoV-2. Nanobodies (Nbs) are stable and cost-effective agents that can be delivered by novel aerosolization route to treat SARS-CoV-2 infections efficiently. However, it remains unknown if they possess broadly neutralizing activities against the prevalent circulating strains. We found that potent neutralizing Nbs are highly resistant to the convergent variants of concern that evade a large panel of neutralizing antibodies (Abs) and significantly reduce the activities of convalescent or vaccine-elicited sera. Subsequent determination of 9 high-resolution structures involving 6 potent neutralizing Nbs by cryoelectron microscopy reveals conserved and novel epitopes on virus spike inaccessible to Abs. Systematic structural comparison of neutralizing Abs and Nbs provides critical insights into how Nbs uniquely target the spike to achieve high-affinity and broadly neutralizing activity against the evolving virus. Our study will inform the rational design of novel pan-coronavirus vaccines and therapeutics.