The ordered assembly of tau protein into filaments characterizes several neurodegenerative diseases, which are called tauopathies. It was previously reported that, by cryo-electron microscopy, the structures of tau filaments from Alzheimer's disease1,2, Pick's disease3, chronic traumatic encephalopathy4 and corticobasal degeneration5 are distinct. Here we show that the structures of tau filaments from progressive supranuclear palsy (PSP) define a new three-layered fold. Moreover, the structures of tau filaments from globular glial tauopathy are similar to those from PSP. The tau filament fold of argyrophilic grain disease (AGD) differs, instead resembling the four-layered fold of corticobasal degeneration. The AGD fold is also observed in ageing-related tau astrogliopathy. Tau protofilament structures from inherited cases of mutations at positions +3 or +16 in intron 10 of MAPT (the microtubule-associated protein tau gene) are also identical to those from AGD, suggesting that relative overproduction of four-repeat tau can give rise to the AGD fold. Finally, the structures of tau filaments from cases of familial British dementia and familial Danish dementia are the same as those from cases of Alzheimer's disease and primary age-related tauopathy. These findings suggest a hierarchical classification of tauopathies on the basis of their filament folds, which complements clinical diagnosis and neuropathology and also allows the identification of new entities-as we show for a case diagnosed as PSP, but with filament structures that are intermediate between those of globular glial tauopathy and PSP.

Corticobasal degeneration (CBD) is a neurodegenerative tauopathy—a class of disorders in which the tau protein forms insoluble inclusions in the brain—that is characterized by motor and cognitive disturbances1–3. The H1 haplotype of MAPT (the tau gene) is present in cases of CBD at a higher frequency than in controls4,5, and genome-wide association studies have identified additional risk factors6. By histology, astrocytic plaques are diagnostic of CBD7,8; by SDS–PAGE, so too are detergent-insoluble, 37 kDa fragments of tau9. Like progressive supranuclear palsy, globular glial tauopathy and argyrophilic grain disease10, CBD is characterized by abundant filamentous tau inclusions that are made of isoforms with four microtubule-binding repeats11–15. This distinguishes such ‘4R’ tauopathies from Pick’s disease (the filaments of which are made of three-repeat (3R) tau isoforms) and from Alzheimer’s disease and chronic traumatic encephalopathy (CTE) (in which both 3R and 4R isoforms are found in the filaments)16. Here we use cryo-electron microscopy to analyse the structures of tau filaments extracted from the brains of three individuals with CBD. These filaments were identical between cases, but distinct from those seen in Alzheimer’s disease, Pick’s disease and CTE17–19. The core of a CBD filament comprises residues lysine 274 to glutamate 380 of tau, spanning the last residue of the R1 repeat, the whole of the R2, R3 and R4 repeats, and 12 amino acids after R4. The core adopts a previously unseen four-layered fold, which encloses a large nonproteinaceous density. This density is surrounded by the side chains of lysine residues 290 and 294 from R2 and lysine 370 from the sequence after R4. Cyro-electron microscopy of tau filaments from people with corticobasal degeneration reveals a previously unseen four-layered fold, distinct from the filament structures seen in Alzheimer’s disease, Pick’s disease and chronic traumatic encephalopathy.

ABSTRACT Ordered assembly of the tau protein into filaments characterizes multiple neurodegenerative diseases, which are called tauopathies. We previously reported that by electron cryo-microscopy (cryo-EM), tau filament structures from Alzheimer’s disease (1,2), chronic traumatic encephalopathy (CTE) (3), Pick’s disease (4) and corticobasal degeneration (CBD) (5) are distinct. Here we show that the structures of tau filaments from typical and atypical progressive supranuclear palsy (PSP), the most common tauopathy after Alzheimer’s disease, define a previously unknown, three-layered fold. Moreover, the tau filament structures from globular glial tauopathy (GGT, Types I and II) are similar to those from PSP. The tau filament fold of argyrophilic grain disease (AGD) differs from the above and resembles the four-layered CBD fold. The majority of tau filaments from aging-related tau astrogliopathy (ARTAG) also have the AGD fold. Surprisingly, tau protofilament structures from inherited cases with mutations +3/+16 in intron 10 of MAPT , the microtubule-associated protein tau gene, are identical to those from AGD, suggesting that a relative overproduction of four-repeat tau can give rise to the AGD fold. Finally, tau filament structures from cases of familial British dementia (FBD) and familial Danish dementia (FDD) are the same as those from Alzheimer’s disease and primary age-related tauopathy (PART). These structures provide the basis for a classification of tauopathies that also allows identification of new entities, as we show here for a case diagnosed as PSP, but with abundant spherical 4R tau inclusions in limbic and other brain areas. The structures of the tau fold of this new disease (Limbic-predominant Neuronal inclusion body 4R Tauopathy, LNT) were intermediate between those of GGT and PSP.

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 The ongoing COVID-19 pandemic, caused by SARS-CoV-2 infection, has resulted in hundreds of thousands of deaths. Cellular entry of SARS-CoV-2, which is mediated by the viral spike protein and host ACE2 receptor, is an essential target for the development of vaccines, therapeutic antibodies, and drugs. Using a mammalian cell expression system, we generated a recombinant fluorescent protein (Gamillus)-fused SARS-CoV-2 spike trimer (STG) to probe the viral entry process. In ACE2-expressing cells, we found that the STG probe has excellent performance in the live-cell visualization of receptor binding, cellular uptake, and intracellular trafficking of SARS-CoV-2 under virus-free conditions. The new system allows quantitative analyses of the inhibition potentials and detailed influence of COVID-19-convalescent human plasmas, neutralizing antibodies and compounds, providing a versatile tool for high-throughput screening and phenotypic characterization of SARS-CoV-2 entry inhibitors. This approach may also be adapted to develop a viral entry visualization system for other viruses.

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.

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.

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.

Abstract A safe and effective SARS-CoV-2 vaccine is essential to avert the on-going COVID-19 pandemic. Here, we developed a subunit vaccine, which is comprised of CHO-expressed spike ectodomain protein (StriFK) and nitrogen bisphosphonates-modified zinc-aluminum hybrid adjuvant (FH002C). This vaccine candidate rapidly elicited the robust humoral response, Th1/Th2 balanced helper CD4 T cell and CD8 T cell immune response in animal models. In mice, hamsters, and non-human primates, 2-shot and 3-shot immunization of StriFK-FH002C generated 28- to 38-fold and 47- to 269-fold higher neutralizing antibody titers than the human COVID-19 convalescent plasmas, respectively. More importantly, the StriFK-FH002C immunization conferred sterilizing immunity to prevent SARS-CoV-2 infection and transmission, which also protected animals from virus-induced weight loss, COVID-19-like symptoms, and pneumonia in hamsters. Vaccine-induced neutralizing and cell-based receptor-blocking antibody titers correlated well with protective efficacy in hamsters, suggesting vaccine-elicited protection is immune-associated. The StriFK-FH002C provided a promising SARS-CoV-2 vaccine candidate for further clinical evaluation.

Abstract The widespread SARS-CoV-2 in humans results in the continuous emergence of new variants. Recently emerged Omicron variant with multiple spike mutations sharply increases the risk of breakthrough infection or reinfection, highlighting the urgent need for new vaccines with broad-spectrum antigenic coverage. Using inter-lineage chimera and mutation patch strategies, we engineered a recombinant monomeric spike variant (STFK1628x), which showed high immunogenicity and mutually complementary antigenicity to its prototypic form (STFK). In hamsters, a bivalent vaccine comprised of STFK and STFK1628x elicited high titers of broad-spectrum antibodies to neutralize all 14 circulating SARS-CoV-2 variants, including Omicron; and fully protected vaccinees from intranasal SARS-CoV-2 challenges of either the ancestral strain or immune-evasive Beta variant. Strikingly, the vaccination of hamsters with the bivalent vaccine completely blocked the within-cage virus transmission to unvaccinated sentinels, for either the ancestral SARS-CoV-2 or Beta variant. Thus, our study provides new insights and antigen candidates for developing next-generation COVID-19 vaccines.