The LINE-1 (L1) retrotransposon is an ancient genetic parasite that has written around one-third of the human genome through a 'copy and paste' mechanism catalysed by its multifunctional enzyme, open reading frame 2 protein (ORF2p)1. ORF2p reverse transcriptase (RT) and endonuclease activities have been implicated in the pathophysiology of cancer2,3, autoimmunity4,5 and ageing6,7, making ORF2p a potential therapeutic target. However, a lack of structural and mechanistic knowledge has hampered efforts to rationally exploit it. We report structures of the human ORF2p 'core' (residues 238-1061, including the RT domain) by X-ray crystallography and cryo-electron microscopy in several conformational states. Our analyses identified two previously undescribed folded domains, extensive contacts to RNA templates and associated adaptations that contribute to unique aspects of the L1 replication cycle. Computed integrative structural models of full-length ORF2p show a dynamic closed-ring conformation that appears to open during retrotransposition. We characterize ORF2p RT inhibition and reveal its underlying structural basis. Imaging and biochemistry show that non-canonical cytosolic ORF2p RT activity can produce RNA:DNA hybrids, activating innate immune signalling through cGAS/STING and resulting in interferon production6-8. In contrast to retroviral RTs, L1 RT is efficiently primed by short RNAs and hairpins, which probably explains cytosolic priming. Other biochemical activities including processivity, DNA-directed polymerization, non-templated base addition and template switching together allow us to propose a revised L1 insertion model. Finally, our evolutionary analysis demonstrates structural conservation between ORF2p and other RNA- and DNA-dependent polymerases. We therefore provide key mechanistic insights into L1 polymerization and insertion, shed light on the evolutionary history of L1 and enable rational drug development targeting L1.

SUMMARY Despite the great promise of vaccines, the COVID-19 pandemic is ongoing and future serious outbreaks are highly likely, so that multi-pronged containment strategies will be required for many years. Nanobodies are the smallest naturally occurring single domain antigen binding proteins identified to date, possessing numerous properties advantageous to their production and use. We present a large repertoire of high affinity nanobodies against SARS-CoV-2 Spike protein with excellent kinetic and viral neutralization properties, which can be strongly enhanced with oligomerization. This repertoire samples the epitope landscape of the Spike ectodomain inside and outside the receptor binding domain, recognizing a multitude of distinct epitopes and revealing multiple neutralization targets of pseudoviruses and authentic SARS-CoV-2, including in primary human airway epithelial cells. Combinatorial nanobody mixtures show highly synergistic activities, and are resistant to mutational escape and emerging viral variants of concern. These nanobodies establish an exceptional resource for superior COVID-19 prophylactics and therapeutics.

Nuclear pore complexes (NPCs) mediate nucleocytoplasmic transport of specific macromolecules while impeding the exchange of unsolicited material. However, key aspects of this gating mechanism remain controversial. To address this issue, we determined the nanoscopic behavior of the permeability barrier directly within yeast S. cerevisiae NPCs at transport-relevant timescales. We show that the large intrinsically disordered domains of phenylalanine-glycine repeat nucleoporins (FG Nups) exhibit highly dynamic fluctuations to create transient voids in the permeability barrier that continuously shape-shift and reseal, resembling a radial polymer brush. Together with cargo-carrying transport factors the FG domains form a feature called the central plug, which is also highly dynamic. Remarkably, NPC mutants with longer FG domains show interweaving meshwork-like behavior that attenuates nucleocytoplasmic transport in vivo. Importantly, the bona fide nanoscale NPC behaviors and morphologies are not recapitulated by in vitro FG domain hydrogels. NPCs also exclude self-assembling FG domain condensates in vivo, thereby indicating that the permeability barrier is not generated by a self-assembling phase condensate, but rather is largely a polymer brush, organized by the NPC scaffold, whose dynamic gating selectivity is strongly enhanced by the presence of transport factors.

Abstract In opistokhonts (animals and fungi), mRNA export to the cytoplasm is mediated by the Mex67/Mtr2 (NXF1/NXT1) heterodimer via the nuclear pore complex (NPC). In contrast to most nucleocytoplasmic transport, mRNA export requires ATP-dependent remodeling machinery, and in animals and fungi is Ran-independent. While most eukaryotes possess one Mex67 gene, trypanosomes have three distinct Mex67 paralogs, while retaining a single Mtr2 gene. We show here that these paralogs, TbMex67, TbMex67b and TbMex67L, have differing and non-redundant roles in RNA export. Specifically, TbMex67 and TbMex67b retain a canonical role in mRNA export, albeit associating with specific mRNA cohorts, but in contrast, TbMex67L is primarily involved in ribosome biogenesis. Together with the association of all Mex67 paralogs with the Ran machinery, these findings indicate significant departures in RNA export mechanisms in these divergent organisms, with implications for evolutionary origins and diversity in control of gene expression.

Improved biomarkers are needed for early cancer detection, risk stratification, treatment selection, and monitoring treatment response. While proteins can be useful blood-based biomarkers, many have limited sensitivity or specificity for these applications. Long INterspersed Element-1 (LINE-1, L1) open reading frame 1 protein (ORF1p) is a transposable element protein overexpressed in carcinomas and high-risk precursors during carcinogenesis with negligible detectable expression in corresponding normal tissues, suggesting ORF1p could be a highly specific cancer biomarker. To explore the potential of ORF1p as a blood-based biomarker, we engineered ultrasensitive digital immunoassays that detect mid-attomolar (10-17 M) ORF1p concentrations in patient plasma samples across multiple cancers with high specificity. Plasma ORF1p shows promise for early detection of ovarian cancer, improves diagnostic performance in a multi-analyte panel, and provides early therapeutic response monitoring in gastric and esophageal cancers. Together, these observations nominate ORF1p as a multi-cancer biomarker with potential utility for disease detection and monitoring.

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

Abstract Integral membrane proteins of the Lap2-emerin-MAN1 (LEM) family have emerged as important components of the inner nuclear membrane (INM) required for the functional and physical integrity of the nuclear envelope. However, like many INM proteins, there is limited understanding of the biochemical interaction networks that enable LEM protein function. Here, we show that Heh2/Man1 can be affinity purified with major scaffold components of the nuclear pore complex (NPC), specifically the inner ring complex, in evolutionarily distant yeasts. Interactions between Heh2 and nucleoporins is mediated by its C-terminal winged-helix (WH) domain and are distinct from interactions required for INM targeting. Disrupting interactions between Heh2 and the NPC leads to NPC clustering. Interestingly, Heh2’s association with NPCs can also be broken by knocking out Nup133, a component of the outer ring that does not physically interact with Heh2. Thus, Heh2’s association with NPCs depends on the structural integrity of both major NPC scaffold complexes. We propose a model in which Heh2 acts as a sensor of NPC assembly state, which may be important for NPC quality control mechanisms and the segregation of NPCs during cell division.

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.

Abstract Traditional methods used to map the three-dimensional organization of chromatin in-situ generally involve chromatin conformation capture by formaldehyde crosslinking, followed by detergent solubilization and enzymatic digestion of DNA. Ligation of proximal DNA fragments followed by next generation sequencing (NGS) generates contact information that enables a global view of the chromatin conformation. Here, we explore the use of cryomilling to physically fragmentize the cells under cryogenic conditions to probe chromatin interactions in the cryomilled cell fragments by the tethered chromatin conformation capture (TCC). Our results show that cryomilling TCC (CTCC) can generate a global contact map similar to that obtained with in-situ Hi-C. This result suggests that summation of chromatin interactions mapped in individual subcellular fragments can reconstitute the global contact map of intact cells in an ensemble manner, paving the way for chromatin conformation analyses of solid tissue by CTCC. Compared with the conventional in-situ methods such as Hi-C, CTCC shows more uniform access to different subcompartments of the folded genome. On the other hand, most inter-chromosomal (trans) contacts are diminished or lost in CTCC except for a group of unique trans contacts that remain intact throughout the cryomilling and in- vitro crosslinking steps. These apparently ultra-stable trans interactions have much enhanced signal in CTCC due to the elimination of signals of most, presumably weak and transient trans interactions. Systematic and comparative analyses between CTCC and in-situ Hi-C provide further insights into the chromatin structure organization and reveal a generally unentangled chromosome interface and the existence of stable inter-chromosomal contacts that may represent intermingled inter-chromosomal interfaces.