ABSTRACT Intermediate filaments are integral components of the cytoskeleton in metazoan cells. Due to their specific viscoelastic properties they are principal contributors to flexibility and tear strength of cells and tissues. Vimentin, an intermediate filament protein expressed in fibroblasts and endothelial cells, assembles into ~11 nm thick biopolymers, that are involved in a wide variety of cellular functions in health and disease. Here, we reveal the structure of in-situ polymerized vimentin filaments to a subnanometer resolution by applying cryo-electron tomography to mouse embryonic fibroblasts grown on electron microscopy grids. We show that vimentin filaments are tube-like assemblies with a well-defined helical symmetry. Their structure is comprised of five octameric, spring-like protofibrils harboring 40 vimentin polypeptide chains in cross-section. The protofibrils are connected by the intrinsically disordered head and helix 1A domains of vimentin. Individual filaments display two polymerization states characterized by either the presence or absence of a luminal density along the helical axis. The structure of vimentin filaments unveils the generic building plan of the intermediate filament superfamily in molecular details.

Abstract Vimentin intermediate filaments (VIFs) and F-actin are filamentous cytoskeletal proteins generally thought to form completely independent networks that have vastly different properties and functions. Here, we show that, unexpectedly, there exist both extensive structural and functional interactions between VIFs and F-actin. We show that VIFs and F-actin form an interpenetrating network (IPN) within the cell cortex and interact synergistically at multiple length scales. This IPN structure has important functional consequences in cells: The IPN results in enhanced contractile forces in the cell. In addition, VIFs influence the diffusive behavior of actin monomers, suggesting specific associations between actin and vimentin proteins in the cytoplasm; this facilitates formation of the IPN and has downstream effects on other actin-driven processes. The results suggest that contributions of VIFs and F-actin are strongly correlated. Such interactions counter generally accepted behavior and are broadly significant given the wide range of processes currently attributed to F-actin alone.

Abstract Intermediate filaments (IFs) are integral components of the cytoskeleton. They provide cells with tissue-specific mechanical properties and are involved in numerous cellular processes. Due to their intricate architecture, a 3D structure of IFs has remained elusive. Here we use cryo-focused ion beam milling, cryo-electron microscopy and tomography, to obtain a 3D structure of vimentin IFs (VIFs). VIFs assemble into a modular, densely-packed and highly-ordered helical symmetric structure of 40 α-helices in cross-section, organized into 5 protofibrils. Surprisingly, the intrinsically disordered head domains form an amyloid-like fiber in the center of VIFs, while the intrinsically disordered tails form lateral connections between the protofibrils. Our findings demonstrate how protein domains of low sequence complexity can complement well-folded protein domains to construct a biopolymer with striking strength and stretchability.

Abstract Keratin intermediate filaments are an essential and major component of the cytoskeleton in epithelial cells. They form a stable yet dynamic filamentous network extending from the nucleus to the cell periphery. Keratin filaments provide cellular resistance to mechanical stresses, ensure cell and tissue integrity in addition to regulatory functions. Mutations in keratin genes are related to a variety of epithelial tissue diseases that mostly affect skin and hair. Despite their importance, the molecular structure of keratin filaments remains largely unknown. In this study, we analyzed the structure of keratin 5/keratin 14 filaments within ghost keratinocytes by cryo-electron microscopy and cryo-electron tomography. By averaging a large number of keratin segments, we have gained insights into the helical architecture of the filaments. Interestingly, two-dimensional classification revealed profound variations in the diameter of keratin filaments and their subunit organization. Reconstitution of filaments of substantial length from keratin segments uncovered a high degree of internal heterogeneity along single filaments, which can contain regions of helical symmetry, regions with less symmetry and regions with significant diameter fluctuations. Cross section views of filaments revealed that keratins form hollow cylinders consisting of multiple protofilaments, with an electron dense core located in the center of the filament. These findings shed light on the complex architecture of keratin filaments, which demonstrate a remarkable degree of heterogeneity, suggesting that they are highly flexible, dynamic cytoskeletal structures.