The neuronal gene Arc is essential for long-lasting information storage in the mammalian brain, mediates various forms of synaptic plasticity, and has been implicated in neurodevelopmental disorders. However, little is known about Arc’s molecular function and evolutionary origins. Here, we show that Arc self-assembles into virus-like capsids that encapsulate RNA. Endogenous Arc protein is released from neurons in extracellular vesicles that mediate the transfer of Arc mRNA into new target cells, where it can undergo activity-dependent translation. Purified Arc capsids are endocytosed and are able to transfer Arc mRNA into the cytoplasm of neurons. These results show that Arc exhibits similar molecular properties to retroviral Gag proteins. Evolutionary analysis indicates that Arc is derived from a vertebrate lineage of Ty3/gypsy retrotransposons, which are also ancestors to retroviruses. These findings suggest that Gag retroelements have been repurposed during evolution to mediate intercellular communication in the nervous system.

Abstract We present a new approach for macromolecular structure determination from multiple particles in electron cryo-tomography (cryo-ET) data sets. Whereas existing subtomogram averaging approaches are based on 3D data models, we propose to optimise a regularised likelihood target that approximates a function of the 2D experimental images. In addition, analogous to Bayesian polishing and contrast transfer function (CTF) refinement in single-particle analysis, we describe approaches that exploit the increased signal-to-noise ratio in the averaged structure to optimise tilt series alignments, beam-induced motions of the particles throughout the tilt series acquisition, defoci of the individual particles, as well as higher-order optical aberrations of the microscope. Implementation of our approaches in the open-source software package RELION aims to facilitate their general use, in particular for those researchers who are already familiar with its single-particle analysis tools. We illustrate for three applications that our approaches allow structure determination from cryo-ET data to resolutions sufficient for de novo atomic modelling.

Abstract Glutamatergic synapses form the vast majority of connections within neuronal circuits, but how these subcellular structures are molecularly organized within the mammalian brain is poorly understood. Conventional electron microscopy using chemically fixed, metal-stained tissue has identified a proteinaceous, membrane-associated thickening called the ‘postsynaptic density’ (PSD). Here, we combined mouse genetics and cryo-electron tomography to determine the 3D molecular architecture of fresh isolated and anatomically intact synapses in the adult forebrain. The native glutamatergic synapse did not consistently show a high density of proteins at the postsynaptic membrane thought to be characteristic of the PSD. Instead, a ‘synaptoplasm’ consisting of cytoskeletal elements, macromolecular complexes and membrane-bound organelles extended throughout the pre- and post-synaptic compartments. Snapshots of active processes gave insights into membrane remodeling processes. Clusters of 4-60 ionotropic glutamate receptors were positioned inside and outside the synaptic cleft. Together, these information-rich tomographic maps present a detailed molecular framework for the coordinated activity of synapses in the adult mammalian brain.

Abstract The endoplasmic reticulum and mitochondria are main hubs of eukaryotic membrane biogenesis which rely on lipid exchange via membrane contact sites, but the underpinning mechanisms remain poorly understood. In yeast, tethering and lipid transfer between the two organelles is mediated by the ER-mitochondria encounter structure ERMES, a four-subunit complex of unclear stoichiometry and architecture. We determined the molecular organization of ERMES within cells using integrative structural biology, combining quantitative live-imaging, cryo-correlative microscopy, subtomogram averaging and molecular modeling. ERMES assembles into approximately 25 discrete bridge-like complexes distributed irregularly across a contact site. Each bridge consists of three lipid-binding SMP domains arranged in zig-zag fashion. Our molecular model of ERMES reveals an unconventional restrained pathway for lipids. These findings resolve a supramolecular architecture controlling interorganelle lipid fluxes.

Abstract Retromer is a master regulator of cargo retrieval from endosomes, which is critical for many cellular processes including signalling, immunity, neuroprotection and virus infection. To function in different trafficking routes, retromer core (VPS26/VPS29/VPS35) assembles with a range of sorting nexins to generate tubular carriers and incorporate assorted cargoes. We elucidate the structural basis of membrane remodelling and coupled cargo recognition by assembling metazoan and fungal retromer core trimers on cargo-containing membranes with sorting nexin adaptor SNX3 and determining their structures using cryo-electron tomography. Assembly leads to formation of tubular carriers in the absence of canonical membrane curvature drivers. Interfaces in the retromer coat provide a structural explanation for Parkinson’s disease-linked mutations. We demonstrate that retromer core trimer forms an invariant, evolutionarily-conserved scaffold that can incorporate different auxiliary membrane adaptors by changing its mode of membrane recruitment, so modulating membrane bending and cargo incorporation and thereby allowing retromer to traffic assorted cargoes along different cellular transport routes.

Abstract In bacteria and archaea, tripartite ATP-independent periplasmic (TRAP) transporters uptake essential carboxylate- and sulfonate-containing nutrients into the cytoplasm. Unlike other secondary active transporters, TRAP transporters cannot receive their substrates directly, but do so indirectly via a secreted soluble substrate-binding protein. How a sodium-driven secondary active transporter is strictly coupled to a passenger-carrying substrate-binding domain is poorly understood. Here, we report the cryo-EM structure of the sialic acid TRAP transporter SiaQM from Photobacterium profundum at 2.97 Å resolution. SiaM has 12-TMs that come together to form a “transport” domain and a “scaffold” domain, with the transport domain consisting of helical hairpins as seen in the sodium-coupled elevator transporter VcINDY. Interestingly, the SiaQ protein forms intimate contacts with SiaM to extend the size of the scaffold domain, indicating TRAP transporters may operate as monomers, rather than the typically observed oligomers. We have identified the Na + and sialic acid binding sites in SiaM and confirmed a strict dependence on the substrate-binding protein SiaP for uptake. We have determined the SiaP crystal structure that, together with co-evolution driven docking studies, provides a molecular basis for how sialic acid is delivered to the SiaQM transporter complex. We conclude that TRAP proteins are conceptually a marriage between an ABC importer and a secondary active transporter, which we describe herein as an ‘elevator-with-an-operator’ mechanism.

Abstract Enteroviruses are non-enveloped positive-sense RNA viruses that cause diverse diseases in humans. Their rapid multiplication depends on remodeling of cytoplasmic membranes for viral genome replication. It is unknown how virions assemble around these newly synthesized genomes and how they are then loaded into autophagic membranes for release through secretory autophagy. Here, we use cryo-electron tomography of infected cells to show that poliovirus assembles directly on replication membranes. Pharmacological untethering of capsids from membranes abrogates RNA encapsidation. Our data directly visualize a membrane-bound half-capsid as a prominent virion assembly intermediate. Assembly progression past this intermediate depends on the class III phosphatidylinositol 3-kinase VPS34, a key host-cell autophagy factor. On the other hand, the canonical autophagy initiator ULK1 is shown to restrict virion production since its inhibition leads to increased accumulation of virions in vast intracellular arrays, followed by an increased vesicular release at later time points. Finally, we identify multiple layers of selectivity in virus-induced autophagy, with a strong selection for RNA-loaded virions over empty capsids and the segregation of virions from other types of autophagosome contents. These findings provide an integrated structural framework for multiple stages of the poliovirus life cycle.

Scipion is a modular image processing framework integrating several software packages under a unified interface while taking care of file formats and conversions. Here new developments and capabilities of the Scipion plugin for the Relion software are presented and illustrated with the image processing pipeline of published data. The user interfaces of Scipion and Relion are compared and the key differences highlighted, allowing this manuscript to be used as a guide for both new and experienced users of these software. Different streaming image processing options are also discussed demonstrating the flexibility of the Scipion framework. Synopsis An overview of the Scipion plugin for the Relion software is presented and various capabilities of image processing within Scipion framework are discussed.

Abstract The CA (capsid) domain of immature HIV-1 Gag and the adjacent spacer peptide 1 (SP1) play a key role in viral assembly by forming a lattice of CA hexamers, which adapts to viral envelope curvature by incorporating small lattice defects and a large gap at the site of budding. This lattice is stabilized by intra- and inter-hexameric CA-CA interactions, which are important in regulating viral assembly and maturation. We applied subtomogram averaging and classification to determine the structure of CA at lattice edges and found that they form partial hexamers. These structures reveal the network of interactions formed by CA-SP1at the lattice edge. We also performed atomistic molecular dynamics simulations of CA-CA interactions stabilizing the immature lattice and of partial CA-SP1 helical bundles. Free energy calculations reveal increased propensity for helix-to-coil transitions in partial hexamers compared to complete six-helix bundles. Taken together, these results suggest that the CA dimer is the basic unit of lattice assembly, that partial hexamers exist at lattice edges, that these are in a helix-coil dynamic equilibrium and that partial helical bundles are more likely to unfold, representing potential sites for HIV-1 maturation initiation. Significance Statement HIV-1 particle assembly is driven by the viral Gag protein, which oligomerizes into an hexameric array on the inner surface of the viral envelope, forming a truncated spherical lattice containing large and small gaps. Gag is then cut by the viral protease, disassembles and rearranges to form the mature, infectious virus. Here, we present structures and molecular dynamics simulations of the edges of the immature Gag lattice. Our analysis shows that Gag dimers are the basic assembly unit of the HIV-1 particle, that lattice edges are partial hexamers, and that partial hexamers are prone to structural changes allowing protease to cut Gag. These findings provide insights into assembly of the immature virus, its structure, and how it disassembles during maturation.

Abstract Cryo-focused ion beam milling of frozen-hydrated cells and subsequent cryo-electron tomography (cryo-ET) has enabled the structural elucidation of macromolecular complexes directly inside cells. Application of the technique to multicellular organisms and tissues, however, is still limited by sample preparation. While high-pressure freezing enables the vitrification of thicker samples, it prolongs subsequent preparation due to increased thinning times and the need for extraction procedures. Additionally, thinning removes large portions of the specimen, restricting the imageable volume to the thickness of the final lamella, typically < 300 nm. Here, we introduce Serial Lift-Out, an enhanced lift-out technique that increases throughput and obtainable contextual information by preparing multiple sections from single transfers. We apply Serial Lift-Out to C. elegans L1 larvae yielding a cryo-ET dataset sampling the worm’s anterior-posterior axis and resolve its ribosome structure to 7 Å, illustrating how Serial Lift-Out enables the study of multicellular molecular anatomy.