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 Abundant filamentous inclusions of tau are characteristic of more than 20 neurodegenerative diseases that are collectively termed tauopathies. Electron cryo-microscopy (cryo-EM) structures of tau amyloid filaments from human brain revealed that distinct tau folds characterise many different diseases. A lack of laboratory-based model systems to generate these structures has hampered efforts to uncover the molecular mechanisms that underlie tauopathies. Here, we report in vitro assembly conditions with recombinant tau that replicate the structures of filaments from both Alzheimer’s disease (AD) and chronic traumatic encephalopathy (CTE), as determined by cryo-EM. Our results suggest that post-translational modifications of tau modulate filament assembly, and that previously observed additional densities in AD and CTE filaments may arise from the presence of inorganic salts, like phosphates and sodium chloride. In vitro assembly of tau into disease-relevant filaments will facilitate studies to determine their roles in different diseases, as well as the development of compounds that specifically bind to these structures or prevent their formation.

Abstract Soluble aggregates of amyloid-β (Aβ), often called oligomers, are believed to be principal drivers of neurotoxicity, spreading of pathology, and symptoms in Alzheimer’s disease (AD), but little is known about their structures in human brain. Aβ oligomers have been defined as aggregates found in supernatants following ultracentrifugation of aqueous extracts. We now report the unexpected presence of abundant Aβ fibrils in high-speed supernatants from AD brains that were extracted by soaking in aqueous buffer. The fibrils did not appear to form during extract preparation, and their numbers by EM correlated with ELISA quantification of aggregated Aβ 42 . Cryo-EM structures of Aβ fibrils from aqueous extracts were identical to those from sarkosyl-insoluble AD brain homogenates. The fibrils in aqueous extracts were immunolabeled by lecanemab, an Aβ aggregate-directed antibody reported to improve cognitive outcomes in AD. We conclude that Aβ fibrils are abundant in aqueous extracts from AD brains and have the same structures as those from amyloid plaques. These findings have implications for understanding the nature of Aβ oligomers and for designing oligomer-preferring therapeutic antibodies.

Parkinson’s disease (PD) is the most common movement disorder, with resting tremor, rigidity, bradykinesia and postural instability being major symptoms (1). Neuropathologically, it is characterised by the presence of abundant filamentous inclusions of α-synuclein in the form of Lewy bodies and Lewy neurites in some brain cells, including dopaminergic nerve cells of the substantia nigra (2). PD is increasingly recognised as a multisystem disorder, with cognitive decline being one of its most common non-motor symptoms. Many patients with PD develop dementia more than 10 years after diagnosis (3). PD dementia (PDD) is clinically and neuropathologically similar to dementia with Lewy bodies (DLB), which is diagnosed when cognitive impairment precedes parkinsonian motor signs or begins within one year from their onset (4). In PDD, cognitive impairment develops in the setting of well-established PD. Besides PD and DLB, multiple system atrophy (MSA) is the third major synucleinopathy (5). It is characterised by the presence of abundant filamentous α-synuclein inclusions in brain cells, especially oligodendrocytes (Papp-Lantos bodies). We previously reported the electron cryo-microscopy (cryo-EM) structures of two types of α-synuclein filaments extracted from the brains of individuals with MSA (6). Each filament type is made of two different protofilaments. Here we report that the cryo-EM structures of α-synuclein filaments from the brains of individuals with PD, PDD and DLB are made of a single protofilament (Lewy fold) that is markedly different from the protofilaments of MSA. These findings establish the existence of distinct molecular conformers of assembled α-synuclein in neurodegenerative disease.

Abstract Positron emission tomography (PET) imaging allows monitoring the progression of amyloid aggregation in the living brain. [ 18 F]-Flortaucipir is the only approved PET tracer compound for the visualisation of tau aggregation. Here, we describe cryo-EM experiments on tau filaments in the presence and absence of flortaucipir. We used tau filaments isolated from the brain of an individual with Alzheimer’s disease (AD), and from the brain of an individual with primary age-related tauopathy (PART) with a co-pathology of chronic traumatic encephalopathy (CTE). Unexpectedly, we were unable to visualise additional cryo-EM density for flortaucipir for AD paired helical or straight filaments (PHFs or SFs), but we did observe density for flortaucipir binding to CTE Type I filaments from the case with PART. In the latter, flortaucipir binds in a 1:1 molecular stoichiometry with tau, adjacent to lysine 353 and aspartate 358. By adopting a tilted geometry with respect to the helical axis, the 4.7 Å distance between neighbouring tau monomers is reconciled with the 3.5 Å distance consistent with π-π-stacking between neighbouring molecules of flortaucipir.

1 Abstract 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 twelve publicly available cryo-EM data sets.

ABSTRACT A 21-nucleotide duplication in one allele of SNCA was identified in a previously described disease with abundant α-synuclein inclusions that we now call juvenile-onset synucleinopathy (JOS). Both wild-type α-synuclein and its insertion mutant containing seven additional residues (MAAAEKT) after residue 22 were present in sarkosyl-insoluble material that was extracted from frontal cortex of the individual with JOS and examined by electron cryo-microscopy. The structures of JOS filaments, comprising either a single protofilament, or a pair of protofilaments, revealed a new α-synuclein fold that differs from the folds of Lewy body diseases and multiple system atrophy (MSA). The JOS fold consists of a compact core, the sequence of which (residues 36-100 of wild-type α-synuclein) is unaffected by the mutation, and two disconnected density islands (A and B) of mixed sequences. There is a non-proteinaceous cofactor bound between the core and island A. The JOS fold resembles the common substructure of MSA type I and type II dimeric filaments, with its core segment approximating the C-terminal body of MSA protofilaments B and its islands mimicking the N-terminal arm of MSA protofilaments A. The partial similarity of JOS and MSA folds extends to the locations of their cofactor-binding sites. Our findings provide insight into a likely mechanism of JOS fibrillation in which mutant α-synuclein of 147 amino acids forms a nucleus with the JOS fold, around which wild-type and mutant proteins assemble during elongation.

The formation of amyloid filaments is characteristic of various degenerative diseases. Recent breakthroughs in electron cryo-microscopy (cryo-EM) have led to atomic structure determination of multiple amyloid filaments, both of filaments assembled in vitro from recombinant proteins, and of filaments extracted from diseased tissue. These observations revealed that a single protein may adopt multiple different amyloid folds, and that in vitro assembly does not necessarily lead to the same filaments as those observed in disease. In order to develop relevant model systems for disease, and ultimately to better understand the molecular mechanisms of disease, it will be important to determine which factors determine the formation of distinct amyloid folds. High-throughput cryo-EM, in which structure determination becomes a tool rather than a project in itself, will facilitate the screening of large numbers of in vitro assembly conditions. To this end, we describe a new filament picking algorithm based on the Topaz approach, and we outline image processing strategies in Relion that enable atomic structure determination of amyloids within days.

Frontotemporal dementia (FTD) and Alzheimer's disease are the most common forms of early-onset dementia. Dominantly inherited mutations in MAPT, the microtubule-associated protein tau gene, cause FTD and parkinsonism linked to chromosome 17 (FTDP-17). Individuals with FTDP-17 develop abundant filamentous tau inclusions in brain cells. Here we used electron cryo-microscopy to determine the structures of tau filaments from the brains of individuals with MAPT mutations V337M and R406W. Both mutations gave rise to tau filaments with the Alzheimer fold, which consisted of paired helical filaments in all V337M and R406W cases and of straight filaments in two V337M cases. We also identified a new assembly of the Alzheimer fold into triple tau filaments in a V337M case. Filaments assembled from recombinant tau(297-391) with mutation V337M had the Alzheimer fold and showed an increased rate of assembly.

We present methods that detect three types of aberrations in single-particle cryo-EM data sets: symmetrical and antisymmetrical optical aberrations and magnification anisotropy. Because our 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, we show that considering these aberrations improves the resolution of the 3D reconstruction when the effects are present. The methods are implemented in version 3.1 of our open-source software package RELION.