In eukaryotes, the ubiquitous and abundant members of the 90 kilodalton heat-shock protein (hsp90) chaperone family facilitate the folding and conformational changes of a broad array of proteins important in cell signaling, proliferation, and survival. Here we describe the effects of nucleotides on the structure of full-length HtpG, the Escherichia coli hsp90 ortholog. By electron microscopy, the nucleotide-free, AMPPNP bound, and ADP bound states of HtpG adopt completely distinct conformations. Structural characterization of nucleotide-free and ADP bound HtpG was extended to higher resolution by X-ray crystallography. In the absence of nucleotide, HtpG exhibits an “open” conformation in which the three domains of each monomer present hydrophobic elements into the large cleft formed by the dimer. By contrast, ADP binding drives dramatic conformational changes that allow these hydrophobic elements to converge and shield each other from solvent, suggesting a mechanism by which nucleotides could control client protein binding and release.

Nanobodies that neutralize Monoclonal antibodies that bind to the spike protein of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) show therapeutic promise but must be produced in mammalian cells and need to be delivered intravenously. By contrast, single-domain antibodies called nanobodies can be produced in bacteria or yeast, and their stability may enable aerosol delivery. Two papers now report nanobodies that bind tightly to spike and efficiently neutralize SARS-CoV-2 in cells. Schoof et al. screened a yeast surface display of synthetic nanobodies and Xiang et al. screened anti-spike nanobodies produced by a llama. Both groups identified highly potent nanobodies that lock the spike protein in an inactive conformation. Multivalent constructs of selected nanobodies achieved even more potent neutralization. Science , this issue p. 1473 , p. 1479

The glucocorticoid receptor (GR), like many signaling proteins, depends on the Hsp90 molecular chaperone for in vivo function. Although Hsp90 is required for ligand binding in vivo, purified apo GR is capable of binding ligand with no enhancement from Hsp90. We reveal that Hsp70, known to facilitate client delivery to Hsp90, inactivates GR through partial unfolding, whereas Hsp90 reverses this inactivation. Full recovery of ligand binding requires ATP hydrolysis on Hsp90 and the Hop and p23 cochaperones. Surprisingly, Hsp90 ATP hydrolysis appears to regulate client transfer from Hsp70, likely through a coupling of the two chaperone's ATP cycles. Such coupling is embodied in contacts between Hsp90 and Hsp70 in the GR:Hsp70:Hsp90:Hop complex imaged by cryoelectron microscopy. Whereas GR released from Hsp70 is aggregation prone, release from Hsp90 protects GR from aggregation and enhances its ligand affinity. Together, this illustrates how coordinated chaperone interactions can enhance stability, function, and regulation.

Abstract The SARS-CoV-2 protein Nsp2 has been implicated in a wide range of viral processes, but its exact functions, and the structural basis of those functions, remain unknown. Here, we report an atomic model for full-length Nsp2 obtained by combining cryo-electron microscopy with deep learning-based structure prediction from AlphaFold2. The resulting structure reveals a highly-conserved zinc ion-binding site, suggesting a role for Nsp2 in RNA binding. Mapping emerging mutations from variants of SARS-CoV-2 on the resulting structure shows potential host-Nsp2 interaction regions. Using structural analysis together with affinity tagged purification mass spectrometry experiments, we identify Nsp2 mutants that are unable to interact with the actin-nucleation-promoting WASH protein complex or with GIGYF2, an inhibitor of translation initiation and modulator of ribosome-associated quality control. Our work suggests a potential role of Nsp2 in linking viral transcription within the viral replication-transcription complexes (RTC) to the translation initiation of the viral message. Collectively, the structure reported here, combined with mutant interaction mapping, provides a foundation for functional studies of this evolutionary conserved coronavirus protein and may assist future drug design.

ABSTRACT The inter-cellular prion-like propagation of α-synuclein aggregation is emerging as an important mechanism driving the progression of neurodegenerative diseases including Parkinson’s disease and multiple system atrophy (MSA). To discover therapeutic strategies reducing the spread of α-synuclein aggregation, we performed a genome-wide CRISPR interference screen in a human cell-based model. We discovered that inhibiting PIKfyve dramatically reduced α-synuclein aggregation induced with both recombinant α-synuclein fibrils and fibrils isolated from MSA patient brain. While PIKfyve inhibition did not affect fibril uptake or α-synuclein clearance or secretion, it reduced α-synuclein trafficking from the early endosome to the lysosome, thereby limiting fibril escape from the lysosome and reducing the amount of fibrils that reach cytosolic α-synuclein to induce aggregation. These findings point to the endolysosomal transport of fibrils as a critical step in the propagation of α-synuclein aggregation and a potential therapeutic target.

Abstract Neurodegenerative diseases (NDs) are characterized by the formation of amyloid filaments that adopt disease-specific conformations in the brain. Recently developed small molecules hold promise as diagnostics and possible therapeutics for NDs, but their binding mechanisms to amyloid filaments remain unknown. Here, we used cryo–electron microscopy (cryo-EM) to determine a 2.7 Å structure of Alzheimer’s disease patient-derived tau paired-helical filaments incubated with the GTP-1 PET probe. GTP-1 is bound stoichiometrically along an exposed cleft of each protofilament in a stacked arrangement that matches the fibril’s symmetry. Multiscale modeling revealed favorable pi-pi aromatic stacking interactions between GTP-1 molecules that, together with small molecule–protein contacts, result in high affinity binding. This binding mode offers new insight into designing compounds for diagnosis and treatment of specific NDs. One Sentence Summary Cryo-EM structure reveals a novel stacked arrangement of the GTP-1 PET ligand bound to Alzheimer’s disease tau filaments.

Summary The AAA+ protein, Skd3 (human CLPB ), solubilizes proteins in the mitochondrial intermembrane space, which is critical for human health. Skd3 variants with impaired protein-disaggregase activity cause severe congenital neutropenia (SCN) and 3-methylglutaconic aciduria type 7 (MGCA7). Yet how Skd3 disaggregates proteins remains poorly understood. Here, we report a high-resolution structure of a Skd3-substrate complex. Skd3 adopts a spiral hexameric arrangement that engages substrate via pore-loop interactions in the nucleotide-binding domain (NBD). Unexpectedly, substrate-bound Skd3 hexamers stack head-to-head via unique, adaptable ankyrin-repeat domain (ANK)-mediated interactions to form dodecamers. Deleting the ANK-linker region reduces dodecamerization and disaggregase activity. We elucidate apomorphic features of the Skd3 NBD and C-terminal domain that regulate disaggregase activity. We also define how Skd3 subunits collaborate to disaggregate proteins. Importantly, SCN-linked subunits sharply inhibit disaggregase activity, whereas MGCA7-linked subunits do not. Our findings illuminate Skd3 structure and mechanism, explain SCN and MGCA7 inheritance patterns, and suggest therapeutic strategies.

Abstract The aggregation of tau into insoluble fibrils is a defining feature of neurodegenerative tauopathies. However, tau has a positive overall charge and is highly soluble; so polyanions, such as heparin, are typically required to promote its aggregation in vitro . There are dozens of polyanions in living systems and it is not clear which ones might promote this process. Here, we systematically measure the ability of 30 diverse, anionic biomolecules to initiate tau aggregation, using either wild type (WT) tau or the disease associated P301S mutant. We find that polyanions from many different structural classes can promote fibril formation and that P301S tau is sensitive to a greater number of polyanions (19/30) than WT tau (16/30). We also find that some polyanions preferentially reduce the lag time of the aggregation reactions, while others enhance the elongation rate, suggesting that they act on partially distinct steps. From the resulting structure-activity relationships, the valency of the polyanion seems to be an important chemical feature, such that anions with low valency tend to be weaker aggregation inducers, even at the same overall charge. Finally, the identity of the polyanion influences fibril morphology, based on electron microscopy and limited proteolysis. These results provide insight into the crucial role of polyanion—tau interactions in modulating tau conformational dynamics with implications for understanding the tau aggregation landscape in a complex cellular environment.

The universally abundant polyphosphate (polyP) accelerates fibril formation of disease-related amyloids and protects against amyloid cytotoxicity. To gain insights into the mechanism(s) by which polyP exerts these effects, we focused on α-synuclein, a well-studied amyloid protein, which constitutes the major component of Lewy bodies found in Parkinson's Disease. Here we demonstrate that polyP is unable to accelerate the rate-limiting step of α-synuclein fibril formation but effectively nucleates fibril assembly once α-synuclein oligomers are formed. Binding of polyP to α-synuclein either during fibril formation or upon fibril maturation substantially alters fibril morphology, and effectively reduces the ability of α-synuclein fibrils to interact with cell membranes. The effect of polyP appears to be α-synuclein fibril specific, and successfully prevents the uptake of fibrils into neuronal cells. These results suggest that altering the polyP levels in the extracellular space might be a potential therapeutic strategy to prevent the spreading of the disease.

The mitochondrial chaperonin, mtHsp60, promotes the folding of newly imported and transiently misfolded proteins in the mitochondrial matrix, assisted by its co-chaperone mtHsp10. Despite its essential role in mitochondrial proteostasis, structural insights into how this chaperonin binds to clients and progresses through its ATP-dependent reaction cycle are not clear. Here, we determined cryo-electron microscopy (cryo-EM) structures of a hyperstable disease-associated mtHsp60 mutant, V72I, at three stages in this cycle. Unexpectedly, client density is identified in all states, revealing interactions with mtHsp60's apical domains and C-termini that coordinate client positioning in the folding chamber. We further identify a striking asymmetric arrangement of the apical domains in the ATP state, in which an alternating up/down configuration positions interaction surfaces for simultaneous recruitment of mtHsp10 and client retention. Client is then fully encapsulated in mtHsp60/mtHsp10, revealing prominent contacts at two discrete sites that potentially support maturation. These results identify a new role for the apical domains in coordinating client capture and progression through the cycle, and suggest a conserved mechanism of group I chaperonin function.