Structural modeling of macromolecular complexes greatly benefits from interactive visualization capabilities. Here we present the integration of several modeling tools into UCSF Chimera. These include comparative modeling by MODELLER, simultaneous fitting of multiple components into electron microscopy density maps by IMP MultiFit, computing of small-angle X-ray scattering profiles and fitting of the corresponding experimental profile by IMP FoXS, and assessment of amino acid sidechain conformations based on rotamer probabilities and local interactions by Chimera.

A set of software tools for building and distributing models of macromolecular assemblies uses an integrative structure modeling approach, which casts the building of models as a computational optimization problem where information is encoded into a scoring function used to evaluate candidate models.

The 26S proteasome is at the executive end of the ubiquitin-proteasome pathway for the controlled degradation of intracellular proteins. While the structure of its 20S core particle (CP) has been determined by X-ray crystallography, the structure of the 19S regulatory particle (RP), which recruits substrates, unfolds them, and translocates them to the CP for degradation, has remained elusive. Here, we describe the molecular architecture of the 26S holocomplex determined by an integrative approach based on data from cryoelectron microscopy, X-ray crystallography, residue-specific chemical cross-linking, and several proteomics techniques. The “lid” of the RP (consisting of Rpn3/5/6/7/8/9/11/12) is organized in a modular fashion. Rpn3/5/6/7/9/12 form a horseshoe-shaped heterohexamer, which connects to the CP and roofs the AAA-ATPase module, positioning the Rpn8/Rpn11 heterodimer close to its mouth. Rpn2 is rigid, supporting the lid, while Rpn1 is conformationally variable, positioned at the periphery of the ATPase ring. The ubiquitin receptors Rpn10 and Rpn13 are located in the distal part of the RP, indicating that they were recruited to the complex late in its evolution. The modular structure of the 26S proteasome provides insights into the sequence of events prior to the degradation of ubiquitylated substrates.

For many macromolecular assemblies, both a cryo-electron microscopy map and atomic structures of its component proteins are available. Here we describe a method for fitting and refining a component structure within its map at intermediate resolution (<15 Å). The atomic positions are optimized with respect to a scoring function that includes the crosscorrelation coefficient between the structure and the map as well as stereochemical and nonbonded interaction terms. A heuristic optimization that relies on a Monte Carlo search, a conjugate-gradients minimization, and simulated annealing molecular dynamics is applied to a series of subdivisions of the structure into progressively smaller rigid bodies. The method was tested on 15 proteins of known structure with 13 simulated maps and 3 experimentally determined maps. At ∼10 Å resolution, Cα rmsd between the initial and final structures was reduced on average by ∼53%. The method is automated and can refine both experimental and predicted atomic structures.

Significance β-Amyloid (Aβ) fibrils are formed from Aβ peptide and are a hallmark feature of Alzheimer’s disease (AD). Despite their involvement in AD, much remains unclear about the formation of these aggregates and their structures at the molecular level. We have obtained a 3D image of a fibril formed from the Aβ(1–42) peptide isoform using electron cryomicroscopy and built a partial atomic model based on these data. We show that the core of the fibril is formed by two peptide C termini, explaining why aggregation inhibitors are most potent when targeting the C terminus. Our model explains how addition of C-terminal amino acids may stabilize peptide interaction and how fibril stability is affected by mutations leading to familial AD.

Abstract Phase separation is emerging as a universal principle for how cells use dynamic subcompartmentalization to organize biochemical reactions in time and space 1,2 . Yet, whether the emergent physical properties of these biomolecular condensates are important for their biological function remains unclear. The intrinsically disordered protein PopZ forms membraneless condensates at the poles of the bacterium Caulobacter crescentus and selectively sequesters kinase-signaling cascades to regulate asymmetric cell division 3–5 . By dissecting the molecular grammar underlying PopZ phase separation, we find that unlike many eukaryotic examples, where unstructured regions drive condensation 6,7 , a structured domain of PopZ drives condensation, while conserved repulsive features of the disordered region modulate material properties. By generating rationally designed PopZ mutants, we find that the exact material properties of PopZ condensates directly determine cellular fitness, providing direct evidence for the physiological importance of the emergent properties of biomolecular condensates. Our work codifies a clear set of design principles illuminating how sequence variation in a disordered domain alters the function of a widely conserved bacterial condensate. We used these insights to repurpose PopZ as a modular platform for generating synthetic condensates of tunable function in human cells.

SUMMARY Selective recruitment and concentration of signaling proteins within membrane-less compartments is a ubiquitous mechanism for subcellular organization. However, little is known about how such dynamic recruitment patterns intracellular signaling and cellular development. Here, we combined transcriptional profiling, reaction-diffusion modeling, and single-molecule tracking to study signal exchange in and out of a microdomain at the cell pole of the asymmetrically dividing bacterium Caulobacter crescentus. Our study revealed that the microdomain is selectively permeable, and that each protein in the signaling pathway that activates the cell fate transcription factor CtrA is sequestered and uniformly concentrated within the microdomain or its proximal membrane. Restricted rates of entry into and escape from the microdomain enhance phospho-signaling, leading to a sublinear gradient of CtrA~P along the long axis of the cell. The spatial patterning of CtrA~P creates a gradient of transcriptional activation that serves to prime asymmetric development of the two daughter cells.

SUMMARY Biomolecular condensation underlies the biogenesis of an expanding array of membraneless assemblies, including stress granules (SGs) which form under a variety of cellular stresses. Advances have been made in understanding the molecular grammar that dictates the behavior of a few key scaffold proteins that make up these phases but how the partitioning of hundreds of other SG proteins is regulated remains largely unresolved. While investigating the rules that govern the condensation of ataxin-2, a SG protein implicated in neurodegenerative disease, we unexpectedly identified a short 14aa sequence that acts as an ataxin-2 condensation switch and is conserved across the eukaryote lineage. We identify poly(A)-binding proteins as unconventional RNA-dependent chaperones that control this regulatory switch. Our results uncover a hierarchy of cis and trans interactions that fine-tune ataxin-2 condensation and reveal a new molecular function for ancient poly(A)-binding proteins as emulsifiers of biomolecular condensate proteins. These findings may inspire novel approaches to therapeutically target aberrant phases in disease.

Positively charged repeat peptides are emerging as key players in neurodegenerative diseases. These peptides can perturb diverse cellular pathways but a unifying framework for how such promiscuous toxicity arises has remained elusive. We used mass-spectrometry-based proteomics to define the protein targets of these neurotoxic peptides and found that they all share similar sequence features that drive their aberrant condensation with these positively charged peptides. We trained a machine learning algorithm to detect such sequence features and unexpectedly discovered that this mode of toxicity is not limited to human repeat expansion disorders but has evolved countless times across the tree of life in the form of cationic antimicrobial and venom peptides. We demonstrate that an excess in positive charge is necessary and sufficient for this killer activity, which we name 'polycation poisoning'. These findings reveal an ancient and conserved mechanism and inform ways to leverage its design rules for new generations of bioactive peptides.