Abstract Nuclear pore complexes (NPCs) mediate nucleocytoplasmic transport. Their intricate 120 MDa architecture remains incompletely understood. Here, we report a near-complete structural model of the human NPC scaffold with explicit membrane and in multiple conformational states. We combined AI-based structure prediction with in situ and in cellulo cryo-electron tomography and integrative modeling. We show that linker Nups spatially organize the scaffold within and across subcomplexes to establish the higher-order structure. Microsecond-long molecular dynamics simulations suggest that the scaffold is not required to stabilize the inner and outer nuclear membrane fusion, but rather widens the central pore. Our work exemplifies how AI-based modeling can be integrated with in situ structural biology to understand subcellular architecture across spatial organization levels. One sentence summary An AI-based, dynamic model of the human nuclear pore complex reveals how the protein scaffold and the nuclear envelope are coupled inside cells.

Nuclear pore complexes (NPCs) fuse the inner and outer nuclear membranes and mediate nucleocytoplasmic exchange. They are made of 30 different nucleoporins that form an intricate cylindrical architecture around an aqueous central channel. This architecture is highly dynamic in space and time. Variations in NPC diameter were reported, but the physiological circumstances and the molecular details remain unknown. Here we combined cryo-electron tomography and subtomogram averaging with integrative structural modeling to capture a molecular movie of the respective large-scale conformational changes in cellulo. While actively transporting NPCs adopt a dilated conformation, they strongly constrict upon cellular energy depletion. Fluorescence recovery after photo bleaching experiments show that NPC constriction is concomitant with reduced diffusion and active transport across the nuclear envelope. Our data point to a model where the energy status of cells is linked to the conformation of NPC architecture.

Abstract Human immunodeficiency virus (HIV-1) remains a major health threat. Viral capsid uncoating and nuclear import of the viral genome are critical for productive infection. The size of the HIV-1 capsid is generally believed to exceed the diameter of the nuclear pore complex (NPC), indicating that capsid uncoating has to occur prior to nuclear import. Here, we combined correlative light and electron microscopy with subtomogram averaging to capture the structural status of reverse transcription-competent HIV-1 complexes in infected T cells. We demonstrate that the diameter of the NPC in cellulo is sufficient for the import of apparently intact, coneshaped capsids. Subsequent to nuclear import, we detected disrupted and empty capsid fragments, indicating that uncoating of the replication complex occurs by breaking the capsid open, and not by disassembly into individual subunits. Our data directly visualize a key step in HIV-1 replication and enhance our mechanistic understanding of the viral life cycle.

Summary Nuclear pore complexes (NPCs) mediate exchange across the nuclear envelope. They consist of hundreds of proteins called nucleoporins (Nups) that assemble in multiple copies to fuse the inner and outer nuclear membranes. Elucidating the molecular function and architecture of NPCs imposes a formidable challenge and requires the convergence of in vitro and in situ approaches. How exactly NPC architecture accommodates processes such as mRNA export or NPC assembly and turnover inside of cells remains poorly understood. Here we combine integrated in situ structural biology, correlative light and electron microscopy with yeast genetics to structurally analyze NPCs within the native context of Saccharomyces cerevisiae cells under conditions of starvation and exponential growth. We find an unanticipated in situ layout of nucleoporins with respect to overall dimensions and conformation of the NPC scaffold that could not have been predicted from previous in vitro analysis. Particularly striking is the configuration of the Nup159 complex, which appears critical to spatially accommodate not only mRNA export but also NPC turnover by selective autophagy. We capture structural snapshots of NPC turnover, revealing that it occurs through nuclear envelope herniae and NPC-containing nuclear vesicles. Our study provides the basis for understanding the various membrane remodeling events that happen at the interface of the nuclear envelope with the autophagy apparatus and emphasizes the need of investigating macromolecular complexes in their cellular context.

Abstract Cryo-electron tomograms capture a wealth of structural information on the molecular constituents of cells and tissues. We present DeePiCt (Deep Picker in Context), an open-source deep-learning framework for supervised structure segmentation and macromolecular complex localization in cellular cryo-electron tomography. To train and benchmark DeePiCt on experimental data, we comprehensively annotated 20 tomograms of Schizosaccharomyces pombe for ribosomes, fatty acid synthases, membranes, nuclear pore complexes, organelles and cytosol. By comparing our method to state-of-the-art approaches on this dataset, we show its unique ability to identify low-abundance and low-density complexes. We use DeePiCt to study compositionally-distinct subpopulations of cellular ribosomes, with emphasis on their contextual association with mitochondria and the endoplasmic reticulum. Finally, by applying pre-trained networks to a HeLa cell dataset, we demonstrate that DeePiCt achieves high-quality predictions in unseen datasets from different biological species in a matter of minutes. The comprehensively annotated experimental data and pre-trained networks are provided for immediate exploitation by the community.

Abstract Muscle size is controlled by the PI3K-PKB/Akt-mTORC1-FoxO pathway, which integrates signals from growth factors, energy and amino acids to activate protein synthesis and inhibit protein breakdown. While mTORC1 activity is necessary for PKB/Akt-induced muscle hypertrophy, its constant activation alone induces muscle atrophy. Here we show that this paradox is based on mTORC1 activity promoting protein breakdown through the ubiquitin-proteasome system (UPS) by simultaneously inducing ubiquitin E3 ligase expression via feedback inhibition of PKB/Akt and proteasome biogenesis via Nuclear Factor Erythroid 2-Like 1 (Nrf1). Muscle growth was restored by reactivation of PKB/Akt, but not by Nrf1 knockdown, implicating ubiquitination as the limiting step. However, both PKB/Akt activation and proteasome depletion by Nrf1 knockdown led to an immediate disruption of proteome integrity with rapid accumulation of damaged material. These data highlight the physiological importance of mTORC1-mediated PKB/Akt inhibition and point to juxtaposed roles of the UPS in atrophy and proteome integrity.

Abstract Nuclear pore complexes (NPCs) constitute giant channels within the nuclear envelope that mediate nucleocytoplasmic exchange. NPC diameter is thought to be regulated by nuclear envelope tension, but how such diameter changes are physiologically linked to cell differentiation, where mechanical properties of nuclei are remodeled and nuclear mechanosensing occurs, remains unstudied. Here we used cryo-electron tomography to show that NPCs dilate during differentiation of mouse embryonic stem cells into neural progenitors. In Nup133-deficient cells, which are known to display impaired neural differentiation, NPCs however fail to dilate. By analyzing the architectures of individual NPCs with template matching, we revealed that the Nup133-deficient NPCs are structurally heterogeneous and frequently disintegrate, resulting in the formation of large nuclear envelope openings. We propose that the elasticity of the NPC scaffold mechanically safeguards the nuclear envelope. Our studies provide a molecular explanation for how genetic perturbation of scaffolding components of macromolecular complexes causes tissue-specific phenotypes.

SUMMARY Ribosomes translate the genetic code into proteins. Recent technical advances have facilitated in situ structural analyses of ribosome functional states inside eukaryotic cells and the minimal bacterium Mycoplasma. However, such analyses of Gram-negative bacteria are lacking, despite their ribosomes being major antimicrobial drug targets. Here we compare two E. coli strains, a lab E. coli K-12 and human gut isolate E. coli ED1a, for which tetracycline exhibits bacteriostatic and bactericidal action, respectively. The in situ ribosome structures upon tetracycline treatment show a virtually identical drug binding-site in both strains, yet the distribution of ribosomal complexes clearly differs. While K-12 retains ribosomes in a translation competent state, tRNAs are lost in the vast majority of ED1a ribosomes. A differential response is also reflected in proteome-wide abundance and thermal stability assessment. Our study underlines the need to include molecular analyses and to consider gut bacteria when addressing antibiotic mode of action. HIGHLIGHTS • Ribosome structures of gram-negative bacteria are analyzed in situ • Tetracyline is bactericidal to gut isolate despite identical ribosome structures • When antibiotic is bacteriostatic, ribosomal translation competent states are retained • When antibiotic is bactericidal, cells rapidly accumulate P-tRNAs-deficient ribosomes GRAPHICAL ABSTRACT

Abstract Ribosomes translate the genetic code into proteins. Recent technical advances have facilitated in situ structural analyses of ribosome functional states inside eukaryotic cells and the minimal bacterium Mycoplasma. However, such analyses of Gram-negative bacteria are lacking, despite their ribosomes being major antimicrobial drug targets. Here we compare two E. coli strains, a lab E. coli K-12 and human gut isolate E. coli ED1a, for which tetracycline exhibits bacteriostatic and bactericidal action, respectively. Using our approach for close-to-native E. coli sample preparation, we assess the two strains by cryo-ET and visualize their ribosomes at high resolution in situ. Upon tetracycline treatment, these exhibit virtually identical drug binding sites, yet the conformation distribution of ribosomal complexes differs. While K-12 retains ribosomes in a translation-competent state, tRNAs are lost in the vast majority of ED1a ribosomes. These structural findings together with the proteome-wide abundance and thermal stability assessments indicate that antibiotic responses are complex in cells and can differ between different strains of a single species, thus arguing that all relevant bacterial strains should be analyzed in situ when addressing antibiotic mode of action.