Hi-res view of human Aβ42 filaments Alzheimer’s disease is characterized by a loss of memory and other cognitive functions and the filamentous assembly of Aβ and tau in the brain. The assembly of Aβ peptides into filaments that end at residue 42 is a central event. Yang et al . used electron cryo–electron microscopy to determine the structures of Aβ42 filaments from human brain (see the Perspective by Willem and Fändrich). They identified two types of related S-shaped filaments, each consisting of two identical protofilaments. These structures will inform the development of better in vitro and animal models, inhibitors of Aβ42 assembly, and imaging agents with increased specificity and sensitivity. —SMH

Abstract Macromolecular structure determination by electron cryo-microscopy (cryo-EM) is limited by the alignment of noisy images of individual particles. Because smaller particles have weaker signals, alignment errors impose size limitations on its applicability. Here, we explore how image alignment is improved by the application of deep learning to exploit prior knowledge about biological macromolecular structures that would otherwise be difficult to express mathematically. We train a denoising convolutional neural network on pairs of half-set reconstructions from the electron microscopy data bank (EMDB) and use this denoiser as an alternative to a commonly used smoothness prior. We demonstrate that this approach, which we call Blush regularization, yields better reconstructions than do existing algorithms, in particular for data with low signal-to-noise ratios. The reconstruction of a protein–nucleic acid complex with a molecular weight of 40 kDa, which was previously intractable, illustrates that denoising neural networks will expand the applicability of cryo-EM structure determination for a wide range of biological macromolecules.

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 Filament assembly of amyloid-β peptides ending at residue 42 (Aβ42) is a central event in Alzheimer’s disease. We report the cryo-EM structures of Aβ42 filaments from brain. Two structurally related S-shaped protofilament folds give rise to two types of filaments. Type I filaments were found mostly in the brains of individuals with sporadic Alzheimer’s disease and Type II filaments in individuals with familial Alzheimer’s disease and other conditions. The structures of Aβ42 filaments from brain differ from those of filaments assembled in vitro . By contrast, in App NL-F knock-in mice, Aβ42 deposits were made of Type II filaments. Knowledge of Aβ42 filament structures from human brain may lead to the development of inhibitors of assembly and improved imaging agents.

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.

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.

Frontotemporal dementia (FTD) and Alzheimer's disease are the most common forms of early-onset dementia. Dominantly inherited mutations in

Summary Many age-dependent neurodegenerative diseases, like Alzheimer’s and Parkinson’s, are characterised by abundant inclusions of amyloid filaments. Filamentous inclusions of the proteins tau, amyloid-β (Aβ), α-synuclein and TDP-43 are the most common. Here, we used electron cryo-microscopy (cryo-EM) structure determination to show that residues 120-254 of the lysosomal type II transmembrane protein 106B (TMEM106B) also form amyloid filaments in the human brain. We solved cryo-EM structures of TMEM106B filaments from the brains of 22 individuals with neurodegenerative conditions, including sporadic and inherited tauopathies, Aβ-amyloidoses, synucleinopathies and TDP-43opathies, as well as from the brains of two neurologically normal individuals. We observed three different TMEM106B folds, with no clear relationship between folds and diseases. The presence of TMEM106B filaments correlated with that of a 29 kDa sarkosyl-insoluble fragment of the protein on Western blots. The presence of TMEM106B filaments in the brains of older, but not younger, neurologically normal individuals indicates that they form in an age-dependent manner.

Filaments made of residues 120-254 of transmembrane protein 106B (TMEM106B) form in an age-dependent manner and can be extracted from the brains of neurologically normal individuals and those of subjects with a variety of neurodegenerative diseases. TMEM106B filament formation requires cleavage at residue 120 of the 274 amino acid protein; at present, it is not known if residues 255-274 form the fuzzy coat of TMEM106B filaments. Here we show that a second cleavage appears likely, based on staining with an antibody raised against residues 263-274 of TMEM106B. We also show that besides the brain TMEM106B inclusions form in dorsal root ganglia and spinal cord, where they were mostly found in non-neuronal cells. We confirm that in the brain, inclusions were most abundant in astrocytes. No inclusions were detected in heart, liver, spleen or hilar lymph nodes. Based on their staining with luminescent conjugated oligothiophenes, we confirm that TMEM106B inclusions are amyloids. By in situ immunoelectron microscopy, TMEM106B assemblies were often found in structures resembling endosomes and lysosomes.

Macromolecular structure determination by electron cryo-microscopy (cryo-EM) is limited by the alignment of noisy images of individual particles. Because smaller particles have weaker signals, alignment errors impose size limitations on its applicability. Here, we explore how image alignment is improved by the application of deep-learning to exploit prior knowledge about biological macromolecular structures that would otherwise be difficult to express mathematically. We train a denoising convolutional neural network on pairs of half-set reconstructions from the electron microscopy data bank (EMDB) and use this denoiser as an alternative to a commonly used smoothness prior. We demonstrate that this approach, which we call Blush regularisation, yields better reconstructions than existing algorithms, in particular for data with low signal-to-noise ratios. The reconstruction of a protein-nucleic acid complex with a molecular weight of 40 kDa, which was previously intractable, illustrates that regularisation through denoising will expand the applicability of cryo-EM structure determination for a wide range of biological macromolecules.