Abstract Phase separation is emerging as a universal principle for how cells use dynamic subcompartmentalization to organize biochemical reactions in time and space 1,2 . Yet, whether the emergent physical properties of these biomolecular condensates are important for their biological function remains unclear. The intrinsically disordered protein PopZ forms membraneless condensates at the poles of the bacterium Caulobacter crescentus and selectively sequesters kinase-signaling cascades to regulate asymmetric cell division 3–5 . By dissecting the molecular grammar underlying PopZ phase separation, we find that unlike many eukaryotic examples, where unstructured regions drive condensation 6,7 , a structured domain of PopZ drives condensation, while conserved repulsive features of the disordered region modulate material properties. By generating rationally designed PopZ mutants, we find that the exact material properties of PopZ condensates directly determine cellular fitness, providing direct evidence for the physiological importance of the emergent properties of biomolecular condensates. Our work codifies a clear set of design principles illuminating how sequence variation in a disordered domain alters the function of a widely conserved bacterial condensate. We used these insights to repurpose PopZ as a modular platform for generating synthetic condensates of tunable function in human cells.

Abstract L eucine R ich R epeat K inase 2 ( LRRK2 ) is the most commonly mutated gene in familial Parkinson’s disease. LRRK2 is proposed to function in membrane trafficking and co-localizes with microtubules. We report the 3.5Å structure of the catalytic half of LRRK2, and an atomic model of microtubule-associated LRRK2 built using a reported 14Å cryo-electron tomography in situ structure. We propose that the conformation of LRRK2’s kinase domain regulates its microtubule interaction, with a closed conformation favoring binding. We show that the catalytic half of LRRK2 is sufficient for microtubule binding and blocks the motility of the microtubule-based motors kinesin and dynein in vitro . Kinase inhibitors that stabilize an open conformation relieve this interference and reduce LRRK2 filament formation in cells, while those that stabilize a closed conformation do not. Our findings suggest that LRRK2 is a roadblock for microtubule-based motors and have implications for the design of therapeutic LRRK2 kinase inhibitors.

Abstract Vortex-like arrays of cytoskeletal filaments that drive cytoplasmic streaming and nucleus rotation have been identified in eukaryotes, but similar structures have not been described in prokaryotes. The only known example of a rotating intracellular body in prokaryotic cells occurs when nucleus-forming jumbo phages infect Pseudomonas . During infection, a bipolar spindle of PhuZ filaments drives intracellular rotation of the phage nucleus, a key aspect of the replication cycle. Here we show the E. coli jumbo phage Goslar assembles a phage nucleus surrounded by an array of PhuZ filaments resembling a vortex instead of a bipolar spindle. Expression of mutant PhuZ strongly reduces Goslar phage nucleus rotation, demonstrating that the PhuZ cytoskeletal vortex is necessary for rotating the phage nucleus. While vortex-like cytoskeletal arrays are important in eukaryotes, this work identifies the first known example of a coherent assembly of filaments into a vortex-like structure driving intracellular rotation within the prokaryotic cytoplasm.

Cryo-electron tomography (cryo-ET) allows for the high resolution visualization of biological macromolecules. However, the technique is limited by a low signal-to-noise ratio (SNR) and variance in contrast at different frequencies, as well as reduced Z resolution. Here, we applied entropy regularized deconvolution (ER DC) to cryo-electron tomography data generated from transmission electron microscopy (TEM) and reconstructed using weighted back projection (WBP). We applied DC to several in situ cryo-ET data sets, and assess the results by Fourier analysis and subtomogram analysis (STA).

ABSTRACT We recently discovered that some bacteriophages establish a nucleus-like replication compartment (phage nucleus), but the core genes that define nucleus-based phage replication and their phylogenetic distribution were unknown. By studying phages that encode the major phage nucleus protein chimallin, including previously sequenced yet uncharacterized phages, we discovered that chimallin-encoding phages share a set of 72 highly conserved genes encoded within seven distinct gene blocks. Of these, 21 core genes are unique to this group, and all but one of these unique genes encode proteins of unknown function. We propose that phages with this core genome comprise a novel viral family we term Chimalliviridae. Fluorescence microscopy and cryo-electron tomography studies of Erwinia phage vB_EamM_RAY confirm that many of the key steps of nucleus-based replication encoded in the core genome are conserved among diverse chimalliviruses, and reveal that non-core components can confer intriguing variations on this replication mechanism. For instance, unlike previously studied nucleus-forming phages, RAY doesn’t degrade the host genome, and its PhuZ homolog appears to form a five-stranded filament with a lumen. This work expands our understanding of phage nucleus and PhuZ spindle diversity and function, providing a roadmap for identifying key mechanisms underlying nucleus-based phage replication.

The nuclear pore complex (NPC) is the sole mediator of nucle-ocytoplasmic transport. Despite great advances in understanding its conserved core architecture, the peripheral regions can exhibit considerable variation within and between species. One such structure is the cage-like nuclear basket. Despite its crucial roles in mRNA surveillance and chromatin organization, an architectural understanding has remained elusive. Using in-cell cryo-electron tomography and subtomogram analysis, we explored the NPC’s structural variations and the nuclear basket across fungi (yeast; S. cerevisiae ), mammals (mouse; M. musculus ), and protozoa ( T. gondii ). Using integrative structural modeling, we computed a model of the basket in yeast and mammals that revealed how a hub of Nups in the nuclear ring binds to basket-forming Mlp/Tpr proteins: the coiled-coil domains of Mlp/Tpr form the struts of the basket, while their unstructured termini constitute the basket distal densities, which potentially serve as a docking site for mRNA preprocessing before nucleocytoplasmic transport

The mechanistic details of bacterial cell division are poorly understood. The Gram-positive bacterium Bacillus subtilis can divide via two modes. During vegetative growth, the division septum is formed at the mid cell to produce two equal daughter cells. However, during sporulation, the division septum is formed closer to one pole to yield a smaller forespore and a larger mother cell. We use cryo-electron tomography to visualize the architectural differences in the organization of FtsAZ filaments, the major orchestrators of bacterial cell division during these conditions. We demonstrate that during vegetative growth, FtsAZ filaments are present uniformly around the leading edge of the invaginating septum but during sporulation, they are only present on the mother cell side. Our data show that the sporulation septum is thinner than the vegetative septum during constriction, and that this correlates with half as many FtsZ filaments tracking the division plane during sporulation as compared to vegetative growth. We further find that a sporulation-specific protein, SpoIIE, regulates divisome localization and septal thickness during sporulation. Our data provide first evidence of asymmetric localization of the cell division machinery, and not just septum formation, to produce different cell types with diverse fates in bacteria.

Abstract Upon infection of Pseudomonas cells, jumbo phages 201Φ2-1, ΦPA3, and ΦKZ assemble a phage nucleus. Viral DNA is enclosed within the phage-encoded proteinaceous shell along with proteins associated with DNA replication, recombination and transcription. Ribosomes and proteins involved in metabolic processes are excluded from the nucleus. RNA synthesis occurs inside the phage nucleus and messenger RNA is presumably transported into the cytoplasm to be translated. Newly synthesized proteins either remain in the cytoplasm or specifically translocate into the nucleus. The molecular mechanisms governing selective protein sorting and nuclear import in these phage infection systems are currently unclear. To gain insight into this process, we studied the localization of five reporter fluorescent proteins (GFP + , sfGFP, GFPmut1, mCherry, CFP). During infection with ΦPA3 or 201Φ2-1, all five fluorescent proteins were excluded from the nucleus as expected; however, we have discovered an anomaly with the ΦKZ nuclear transport system. The fluorescent protein GFPmut1, expressed by itself, was transported into the ΦKZ phage nucleus. We identified the amino acid residues on the surface of GFPmut1 required for nuclear targeting. Fusing GFPmut1 to any protein, including proteins that normally reside in the cytoplasm, resulted in transport of the fusion into the nucleus. Although the mechanism of transport is still unknown, we demonstrate that GFPmut1 is a useful tool that can be used for fluorescent labelling and targeting of proteins into the ΦKZ phage nucleus.

Introns containing homing endonucleases are widespread in nature and have long been assumed to be selfish elements that provide no benefit to the host organism. These genetic elements are common in viruses, but whether they confer a selective advantage is unclear. In this work, we studied intron-encoded homing endonuclease gp210 in bacteriophage ΦPA3 and found that it contributes to viral competition by interfering with the replication of a coinfecting phage, ΦKZ. We show that gp210 targets a specific sequence in ΦKZ, which prevents the assembly of progeny viruses. This work demonstrates how a homing endonuclease can be deployed in interference competition among viruses and provide a relative fitness advantage. Given the ubiquity of homing endonucleases, this selective advantage likely has widespread evolutionary implications in diverse plasmid and viral competition as well as virus-host interactions.

The nuclear pore complex (NPC) is the sole mediator of nucleocytoplasmic transport. Despite great advances in understanding its conserved core architecture, the peripheral regions can exhibit considerable variation within and between species. One such structure is the cage-like nuclear basket. Despite its crucial roles in mRNA surveillance and chromatin organization, an architectural understanding has remained elusive. Using in-cell cryo-electron tomography and subtomogram analysis, we explored the NPC's structural variations and the nuclear basket across fungi (yeast; S. cerevisiae), mammals (mouse; M. musculus), and protozoa (T. gondii). Using integrative structural modeling, we computed a model of the basket in yeast and mammals that revealed how a hub of nucleoporins (Nups) in the nuclear ring binds to basket-forming Mlp/Tpr proteins: the coiled-coil domains of Mlp/Tpr form the struts of the basket, while their unstructured termini constitute the basket distal densities, which potentially serve as a docking site for mRNA preprocessing before nucleocytoplasmic transport.