Here, we describe the third major release of RELION. CPU-based vector acceleration has been added in addition to GPU support, which provides flexibility in use of resources and avoids memory limitations. Reference-free autopicking with Laplacian-of-Gaussian filtering and execution of jobs from python allows non-interactive processing during acquisition, including 2D-classification, de novo model generation and 3D-classification. Per-particle refinement of CTF parameters and correction of estimated beam tilt provides higher resolution reconstructions when particles are at different heights in the ice, and/or coma-free alignment has not been optimal. Ewald sphere curvature correction improves resolution for large particles. We illustrate these developments with publicly available data sets: together with a Bayesian approach to beam-induced motion correction it leads to resolution improvements of 0.2–0.7 Å compared to previous RELION versions.

Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) virions are surrounded by a lipid bilayer from which spike (S) protein trimers protrude1. Heavily glycosylated S trimers bind to the angiotensin-converting enzyme 2 receptor and mediate entry of virions into target cells2–6. S exhibits extensive conformational flexibility: it modulates exposure of its receptor-binding site and subsequently undergoes complete structural rearrangement to drive fusion of viral and cellular membranes2,7,8. The structures and conformations of soluble, overexpressed, purified S proteins have been studied in detail using cryo-electron microscopy2,7,9–12, but the structure and distribution of S on the virion surface remain unknown. Here we applied cryo-electron microscopy and tomography to image intact SARS-CoV-2 virions and determine the high-resolution structure, conformational flexibility and distribution of S trimers in situ on the virion surface. These results reveal the conformations of S on the virion, and provide a basis from which to understand interactions between S and neutralizing antibodies during infection or vaccination. Cryo-electron microscopy and tomography studies reveal the structures, conformations and distributions of spike protein trimers on intact severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) virions and provide a basis for understanding the interactions of the spike protein with neutralizing antibodies.

A new method to estimate the trajectories of particle motion and the amount of cumulative beam damage in electron cryo-microscopy (cryo-EM) single-particle analysis is presented. The motion within the sample is modelled through the use of Gaussian process regression. This allows a prior likelihood that favours spatially and temporally smooth motion to be associated with each hypothetical set of particle trajectories without imposing hard constraints. This formulation enables the a posteriori likelihood of a set of particle trajectories to be expressed as a product of that prior likelihood and an observation likelihood given by the data, and this a posteriori likelihood to then be maximized. Since the smoothness prior requires three parameters that describe the statistics of the observed motion, an efficient stochastic method to estimate these parameters is also proposed. Finally, a practical algorithm is proposed that estimates the average amount of cumulative radiation damage as a function of radiation dose and spatial frequency, and then fits relative B factors to that damage in a robust way. The method is evaluated on three publicly available data sets, and its usefulness is illustrated by comparison with state-of-the-art methods and previously published results. The new method has been implemented as Bayesian polishing in RELION -3, where it replaces the existing particle-polishing method, as it outperforms the latter in all tests conducted.

The three-dimensional positions of atoms in protein molecules define their structure and their roles in biological processes. The more precisely atomic coordinates are determined, the more chemical information can be derived and the more mechanistic insights into protein function may be inferred. Electron cryo-microscopy (cryo-EM) single-particle analysis has yielded protein structures with increasing levels of detail in recent years1,2. However, it has proved difficult to obtain cryo-EM reconstructions with sufficient resolution to visualize individual atoms in proteins. Here we use a new electron source, energy filter and camera to obtain a 1.7 Å resolution cryo-EM reconstruction for a human membrane protein, the β3 GABAA receptor homopentamer3. Such maps allow a detailed understanding of small-molecule coordination, visualization of solvent molecules and alternative conformations for multiple amino acids, and unambiguous building of ordered acidic side chains and glycans. Applied to mouse apoferritin, our strategy led to a 1.22 Å resolution reconstruction that offers a genuine atomic-resolution view of a protein molecule using single-particle cryo-EM. Moreover, the scattering potential from many hydrogen atoms can be visualized in difference maps, allowing a direct analysis of hydrogen-bonding networks. Our technological advances, combined with further approaches to accelerate data acquisition and improve sample quality, provide a route towards routine application of cryo-EM in high-throughput screening of small molecule modulators and structure-based drug discovery. Advances in electron cryo-microscopy hardware allow proteins to be studied at atomic resolution.

Methods are presented that detect three types of aberrations in single-particle cryo-EM data sets: symmetrical and antisymmetrical optical aberrations and magnification anisotropy. Because these methods only depend on the availability of a preliminary 3D reconstruction from the data, they can be used to correct for these aberrations for any given cryo-EM data set, a posteriori . Using five publicly available data sets, it is shown that considering these aberrations improves the resolution of the 3D reconstruction when these effects are present. The methods are implemented in version 3.1 of the open-source software package RELION .

We describe new tools for the processing of electron cryo-microscopy (cryo-EM) images in the fourth major release of the RELION software. In particular, we introduce VDAM, a variable-metric gradient descent algorithm with adaptive moments estimation, for image refinement; a convolutional neural network for unsupervised selection of 2D classes; and a flexible framework for the design and execution of multiple jobs in pre-defined workflows. In addition, we present a stand-alone utility called MDCatch that links the execution of jobs within this framework with metadata gathering during microscope data acquisition. The new tools are aimed at providing fast and robust procedures for unsupervised cryo-EM structure determination, with potential applications for on-the-fly processing and the development of flexible, high-throughput structure determination pipelines. We illustrate their potential on 12 publicly available cryo-EM data sets.

Macromolecular complexes that exhibit continuous forms of structural flexibility pose a challenge for many existing tools in cryo-EM single-particle analysis. We describe a new tool, called multi-body refinement, which models flexible complexes as a user-defined number of rigid bodies that move independently from each other. Using separate focused refinements with iteratively improved partial signal subtraction, the new tool generates improved reconstructions for each of the defined bodies in a fully automated manner. Moreover, using principal component analysis on the relative orientations of the bodies over all particle images in the data set, we generate movies that describe the most important motions in the data. Our results on two test cases, a cytoplasmic ribosome from Plasmodium falciparum, and the spliceosomal B-complex from yeast, illustrate how multi-body refinement can be useful to gain unique insights into the structure and dynamics of large and flexible macromolecular complexes.

Snapshots of bacteriorhodopsin Bacteriorhodopsin is a membrane protein that harvests the energy content from light to transport protons out of the cell against a transmembrane potential. Nango et al. used timeresolved serial femtosecond crystallography at an x-ray free electron laser to provide 13 structural snapshots of the conformational changes that occur in the nanoseconds to milliseconds after photoactivation. These changes begin at the active site, propagate toward the extracellular side of the protein, and mediate internal protonation exchanges that achieve proton transport. Science , this issue p. 1552

The RNA-guided endonuclease Cas9 cleaves double-stranded DNA targets complementary to the guide RNA and has been applied to programmable genome editing. Cas9-mediated cleavage requires a protospacer adjacent motif (PAM) juxtaposed with the DNA target sequence, thus constricting the range of targetable sites. Here, we report the 1.7 Å resolution crystal structures of Cas9 from Francisella novicida (FnCas9), one of the largest Cas9 orthologs, in complex with a guide RNA and its PAM-containing DNA targets. A structural comparison of FnCas9 with other Cas9 orthologs revealed striking conserved and divergent features among distantly related CRISPR-Cas9 systems. We found that FnCas9 recognizes the 5′-NGG-3′ PAM, and used the structural information to create a variant that can recognize the more relaxed 5′-YG-3′ PAM. Furthermore, we demonstrated that the FnCas9-ribonucleoprotein complex can be microinjected into mouse zygotes to edit endogenous sites with the 5′-YG-3′ PAM, thus expanding the target space of the CRISPR-Cas9 toolbox.