The SARS-CoV-2 Nucleoprotein (NCAP) functions in RNA packaging during viral replication and assembly. Computational analysis of its amino acid sequence reveals a central low-complexity domain (LCD) having sequence features akin to LCDs in other proteins known to function in liquid-liquid phase separation. Here we show that in the presence of viral RNA, NCAP, and also its LCD segment alone, form amyloid-like fibrils when undergoing liquid-liquid phase separation. Within the LCD we identified three 6-residue segments that drive amyloid fibril formation. We determined atomic structures for fibrils formed by each of the three identified segments. These structures informed our design of peptide inhibitors of NCAP fibril formation and liquid-liquid phase separation, suggesting a therapeutic route for Covid-19.Atomic structures of amyloid-driving peptide segments from SARS-CoV-2 Nucleoprotein inform the development of Covid-19 therapeutics.

Abstract EGCG, the most abundant favanol in green tea, is one of the few natural compounds known to inhibit amyloid fibril formation of proteins associated with neurodegeneration, and to disaggregate amyloid fibrils. Little is known of the mechanism of molecular action of EGCG, or how it or other small molecules interact with amyloid fibrils. Here we present a 3.9 Å resolution cryoEM structure that reveals the site of EGCG binding to Alzheimer’s disease (AD) brain-derived tau fibrils. The structure suggests that EGCG disaggregates fibrils of AD-tau by wedging into a cleft that is at the interface of two protofilaments of the paired helical filament, and by causing charge repulsions between tau layers of the fibril. In support of this, we observe separation of the protofilaments that EGCG wedges between, and accompanying displacement of the adjacent β-helix domain. By resolving the site of EGCG binding, our structure defines a pharmacophore-like cleft in the AD-tau fibril that will be of use for the discovery of surrogate compounds with more desirable drug-like properties.

Abstract Numerous technical advances have made cryo-EM an attractive method for atomic structure determination. Cryo-EM is ideally suited for large macromolecular structures, while problems of low signal-to-noise prevent routine structure determination of proteins smaller than about 50 kDa. This size limitation excludes large numbers of important cellular proteins from structural characterization by this powerful technique, including many cell-signaling proteins of high therapeutic interest. In the present work, we use molecular engineering techniques to rigidify an imaging scaffold, based on a designed protein cage, to the point where 3 Å resolution can be achieved, even for very small proteins. After optimizing the design of the rigidified scaffold on test proteins, we apply this imaging system to the key oncogenic signaling protein KRAS, which represents an outstanding challenge in the area of structure-based drug design. Despite its 19 kDa size, we show that the structure of KRAS, in multiple mutant forms, and bound to its GDP ligand, can be readily interpreted at a resolution slightly better than 3.0 Å. This advance further expands the capability of cryo-EM to become an essentially universal method for protein structure determination, including for applications to small therapeutic protein targets.

Abstract The deposition of amyloidogenic transthyretin (ATTR) in ATTR amyloidosis leads to an unexplained variety of clinical phenotypes, including cardiomyopathy. In brain amyloid conditions, there is an apparent association between the clinical phenotype and the amyloid fibril structure. Here, we question this phenotype-structure association in cardiac amyloidoses by determining the cryo-electron microscopy structures of fibrils extracted from the hearts of seven ATTR amyloidosis patients. We found that, in contrast to brain fibrils, cardiac ATTR fibrils display a structural polymorphism that is not genotype-specific, can co-exist within the same individual, and is independent of the cardiac phenotype. This polymorphism challenges the current paradigm of “one disease equals one fibril fold” proposed in tauopathies and synucleinopathies, and questions whether a similar structural heterogeneity occurs in other amyloidoses. One-Sentence Summary Unlike brain amyloid fibrils, cardiac ATTR fibrils are polymorphic independent of genotype and even within the same patient.

Abstract The cytoplasmic polyadenylation element-binding protein 3 (CPEB3) is a prion-like RNA-binding polypeptide. As a functional prion, CPEB3 is thought to modulate protein synthesis at synapses and enable consolidation of long-term memory in neurons. Here, we report that the prion-like domain 1 of CPEB3 self-assembles into labile amyloid fibrils in vitro . A cryoEM structure of these fibrils reveals an ordered 48-residue core, spanning L103 to F151. CPEB3 constructs lacking this amyloidogenic segment form abnormal puncta in cells when compared to wild type CPEB3, with reduced localization in dormant p-bodies and increased localization in stress granules. Removal of the amyloid core segment in CPEB3 also abolishes its ability to regulate protein synthesis in neurons. Collectively, this evidence suggests that the newly identified amyloidogenic segment within the CPEB3 prion domain is important for its regulated aggregation in cells and suggest its involvement in regulating translational activity and potentially long-term memory formation.

Abstract In neurodegenerative diseases including Alzheimer’s and ALS, proteins that bind RNA are found in aggregated forms in autopsied brains. Evidence suggests that RNA aids nucleation of these pathological aggregates; however, the mechanism has not been investigated at the level of atomic structure. Here we present the 3.4 Å resolution structure of fibrils of full-length recombinant tau protein in the presence of RNA, determined by electron cryo-microscopy (cryoEM). The structure reveals the familiar in-register cross-β amyloid scaffold, but with a small fibril core spanning residues Glu391 to Ala426, a region disordered in the fuzzy coat in all previously studied tau polymorphs. RNA is bound on the fibril surface to the positively charged residues Arg406 and His407 and runs parallel to the fibril axis. The fibrils dissolve when RNAse is added, showing that RNA is necessary for fibril integrity. While this structure cannot exist simultaneously with the tau fibril structures extracted from patients’ brains, it could conceivably account for the nucleating effects of RNA cofactors followed by remodeling as fibrils mature. Significance statement Application of cryoEM has greatly expanded our understanding of atomic structures of mature pathological amyloid fibrils, but little is known at the molecular level of the initiation of fibril formation. RNA has been shown to be one cofactor for formation of fibrils of tau protein, and is known also to bind to other proteins, including TDP-43, FUS, and HNRNPA2, which form pathological inclusions. Our cryoEM structure of recombinant tau protein with RNA reveals a 36 residue, C-terminal fibril core bound to RNA which runs parallel to the fibril axis. We speculate that this structure could represent an early step in the formation of tau fibrils.

Abstract Amyloid fibrils can grow indefinitely long by adding protein chains to the tips of the fibril through β-sheet hydrogen bonding; however, they do not grow laterally beyond ∼10-20 nm. This prevents amyloid fibrils from growing into two-dimensional or three-dimensional arrays. The forces that restrict lateral association of β-sheets in amyloid fibrils are not immediately apparent. We hypothesize that it is the helical symmetry of amyloid fibrils that imposes the limit on fibril width by incurring an increasing separation between helically related molecules as a function of radial distance from the helical axis. The unavoidable consequence is that backbone hydrogen bonds that connect symmetrically related layers of the fibril become weaker towards the edge of the fibril, ultimately becoming too weak to remain ordered. To test our hypothesis, we examined 57 available cryo-EM amyloid fibril structures for trends in interstrand distance and β-sheet hydrogen bonding as a function of radial distance from the helical axis. We find that all fibril structures display an increase in interstrand distance as a function of radius and that most fibril structures have a discernible increase in β-sheet hydrogen bond distances as a function of radius. In addition, we identify a high resolution cryo-EM structure that does not follow our predicted hydrogen bonding trends and perform real space refinement with hydrogen bond distance and angle restraints to restore predicted hydrogen bond trends. This highlights the potential to use our analysis to ensure realistic hydrogen bonding in amyloid fibrils when atomic resolution cryo-EM maps are not available. Significance Statement The number of amyloid fibril structures determined has exploded in recent years due to advances in structural biology techniques. However, we are still at the beginning stages of understanding amyloid fibril assembly. One important property that is critical to fibril formation and mechanical properties is the fibril width. Despite the diversity of fibril folds discovered, all amyloid fibrils are constrained to a width of 10-20 nm. Here, we use simple geometry and structural analysis to identify that the limited width of amyloid fibrils arises from the helical twist of β-sheets in amyloid fibrils. Our findings provide important considerations for the accurate modeling of hydrogen bonds in amyloid fibrils as well as for the possible prediction and design of amyloid-based nanomaterials.

Abstract Microcrystal electron diffraction (MicroED) is transforming the visualization of molecules from nanocrystals, rendering their three-dimensional atomic structures from previously unamenable samples. Peptidic structures determined by MicroED include naturally occurring peptides, synthetic protein fragments and peptide-based natural products. However, as a diffraction method, MicroED is beholden to the phase problem, and its de novo determination of structures remains a challenge. ARCIMBOLDO, an automated, fragment-based approach to structure determination. It eliminates the need for atomic resolution, instead enforcing stereochemical constraints through libraries of small model fragments, and discerning congruent motifs in solution space to ensure validation. This approach expands the reach of MicroED to presently inaccessible peptidic structures including segments of human amyloids, and yeast and mammalian prions, and portends a more general phasing solution while limiting model bias for a wider set of chemical structures.

Abstract hnRNPA2 is one of a group of human ribonucleoproteins (RNPs) involved in RNA metabolism which form fibrils both under cellular stress and in mutated form in neurodegenerative conditions. Previous work established that the C-terminal low-complexity domain (LCD) of hnRNPA2 fibrillizes under stress, and that missense mutations in this domain are found in the disease multisystem proteinopathy (MSP) with symptoms indistinguishable from ALS and FTD. However, little is known at the atomic level about the hnRNPA2 LCD structure that is involved in those processes and how disease mutations cause structural change. Here we present the cryo-electron microscopy (cryoEM) structure of hnRNPA2 LCD fibril core and demonstrate its capability to form a reversible hydrogel in vitro containing amyloid-like fibrils. Whereas these fibrils, like pathogenic amyloid, are formed from protein chains stacked into β-sheets by backbone hydrogen bonds, they display distinct structural differences: the chains are kinked, enabling non-covalent cross-linking of fibrils and disfavoring formation of pathogenic steric zippers. Both their reversibility and energetic calculations suggest these fibrils are less stable than pathogenic amyloid. Moreover, the crystal structure of the disease-mutation-containing segment of hnRNPA2 suggests that the replacement fundamentally alters the fibril structure to a more stable energetic state. These findings illuminate how molecular interactions promote protein fibril networks and how mutation can transform fibril structure from functional to pathogenic form.

Abstract FTLD is the third most common neurodegenerative condition, following only Alzheimer’s and Parkinson’s diseases. FTLD typically presents in 45-64-year-olds with behavioral changes or progressive decline of language skills. The subtype FTLD-TDP is characterized by certain clinical symptoms and pathological neuronal inclusions detected by TDP-43 immunoreactivity. Here, we extracted amyloid fibrils from brains of four patients, representing four out of five FTLD-TDP subclasses and determined their near-atomic resolution structures by cryo-EM. Unexpectedly, all amyloid fibrils examined are composed of a 135-residue C-terminal fragment of TMEM106B, a lysosomal membrane protein previously implicated as a genetic risk factor for FTLD-TDP. In addition to TMEM106B fibrils, abundant non-fibrillar aggregated TDP-43 is present, as revealed by immunogold labeling. Our observations confirm that FTLD-TDP is an amyloid-involved disease and suggest that amyloid involvement in FTLD-TDP is of protein TMEM106B, rather than of TDP-43.