Abstract Microtubules are polar filaments built from αβ-tubulin heterodimers that exhibit a range of architectures in vitro and in vivo . Tubulin heterodimers are arranged helically in the microtubule wall but many physiologically relevant architectures exhibit a break in helical symmetry known as the seam. Noisy 2D cryo-electron microscopy projection images of pseudo-helical microtubules therefore depict distinct but highly similar views owing to the high structural similarity of α- and β-tubulin. The determination of the αβ-tubulin register and seam location during image processing is essential for alignment accuracy that enables determination of biologically relevant structures. Here we present a pipeline designed for image processing and high-resolution reconstruction of cryo-electron microscopy microtubule datasets, based in the popular and user-friendly RELION image-processing package, Mi crotubule R ELION-based P ipeline (MiRP) . The pipeline uses a combination of supervised classification and prior knowledge about geometric lattice constraints in microtubules to accurately determine microtubule architecture and seam location. The presented method is fast and semi-automated, producing near-atomic resolution reconstructions with test datasets that contain a range of microtubule architectures and binding proteins. Abbreviations MiRP, Microtubule RELION-based Pipeline; cryo-EM, cryo-electron microscopy; MT, microtubule; CTF, contrast transfer function; PF, protofilament.

Abstract African trypanosomes replicate within infected mammals where they are exposed to the complement system. This system centres around complement C3, which is present in a soluble form in serum but becomes covalently deposited onto the surfaces of pathogens after proteolytic cleavage to C3b. Membrane-associated C3b triggers different complement-mediated effectors which promote pathogen clearance. To counter complement-mediated clearance, African trypanosomes have a cell surface receptor, ISG65, which binds to C3b and which decreases the rate of trypanosome clearance in an infection model. However, the mechanism by which ISG65 reduces C3b function has not been determined. We reveal through cryogenic electron microscopy that ISG65 has two distinct binding sites for C3b, only one of which is available in C3 and C3d. We show that ISG65 does not block the formation of C3b or the function of the C3 convertase which catalyses the surface deposition of C3b. However, we show that ISG65 forms a specific conjugate with C3b, perhaps acting as a decoy. ISG65 also occludes the binding sites for complement receptors 2 and 3, which may disrupt recruitment of immune cells, including B cells, phagocytes and granulocytes. This suggests that ISG65 protects trypanosomes by combining multiple approaches to dampen the complement cascade. Impact Statement A structure derived from cryogenic electron microscopy shows how ISG65, an African trypanosome receptor that aids virulence, binds C3b and suggests mechanisms through which ISG65 might aid complement resistance.

ABSTRACT Kinesins are a superfamily of molecular motors that undertake ATP-dependent microtubule-based movement or regulate microtubule dynamics. Plasmodium species, which cause malaria and kill hundreds of thousands annually, encode 8-9 kinesins in their genomes. Of these, two – kinesin-8B and kinesin-8X -are canonically classified as kinesin-8s, which in other eukaryotes typically modulate microtubule dynamics. Unexpectedly, Plasmodium kinesin-8B is required for development of the flagellated male gamete in the mosquito host, and its absence completely blocks parasite transmission. To understand the molecular basis of kinesin-8B’s essential role, we characterised the in vitro properties of the kinesin-8B motor domains from P. berghei and P. falciparum . Both motors drive plus-end directed ATP-dependent microtubule gliding, but also catalyse ATP-dependent microtubule depolymerisation. We determined the microtubule-bound structures of these motors using cryo-electron microscopy. P. berghei and P. falciparum kinesin-8B exhibit a very similar mode of microtubule interaction, in which Plasmodium -distinct sequences at the microtubule-kinesin interface influence motor function. Intriguingly, however, P. berghei kinesin-8B exhibits a non-canonical structural response to ATP analogue binding such that neck linker docking is not induced. Nevertheless, the neck linker region is absolutely required for motility and depolymerisation activities of these motors. Taken together, these data suggest that the mechanochemistry of Plasmodium kinesin-8Bs has been functionally tuned to efficiently contribute to flagella formation.

ABSTRACT Plasmodium parasites cause malaria and are responsible annually for hundreds of thousands of deaths. They have a complex life cycle in which distinct stages are transmitted between, and reproduce in, human and mosquito hosts. In the light of emerging resistance to current therapies, components of the parasite replicative machinery are potentially important targets for anti-parasite drugs. Members of the superfamily of kinesin motors play important roles in the microtubule-based replicative spindle machinery, and kinesin-5 motors are established anti-mitotic targets in other disease contexts. We therefore studied kinesin-5 from Plasmodium falciparum ( Pf K5) and characterised the biochemical properties and structure of the Pf K5 motor domain. We found that the Pf K5 motor domain is an ATPase with microtubule plus-end directed motility. We used cryo-EM to determine the motor’s microtubule-bound structure in no nucleotide and AMPPNP-bound states. Despite significant sequence divergence in this motor, these structures reveal that this parasite motor exhibits classical kinesin mechanochemistry. This includes ATP-induced neck-linker docking to the motor domain, which is consistent with the motor’s plus-ended directed motility. Crucially, we also observed that a large insertion in loop5 of the Pf K5 motor domain creates a dramatically different chemical environment in the well characterised human kinesin-5 drug-binding site. Our data thereby reveal the possibility for selective inhibition of Pf K5 and can be used to inform future exploration of Plasmodium kinesins as anti-parasite targets.

Early life stress (ELS) is a major risk factor for developing psychiatric disorders, with glucocorticoids (GCs) implicated in mediating its effects in shaping adult phenotypes. In this process, exposure to high levels of developmental GC (hdGC) is thought to induce molecular changes that prime differential adult responses. However, identities of molecules targeted by hdGC exposure are not completely known. Here, we describe lifelong molecular consequences of hdGC exposure using a newly developed zebrafish double-hit stress model, which shows altered behaviors and stress hypersensitivity in adulthood. We identify a set of primed genes displaying altered expression only upon acute stress in hdGC-exposed adult fish brains. Interestingly, this gene set is enriched in risk factors for psychiatric disorders in humans. Lastly, we identify altered epigenetic regulatory elements following hdGC exposure. Thus, our study provides comprehensive datasets delineating potential molecular targets mediating the impact of hdGC exposure on adult responses.

ABSTRACT Photoacoustic imaging is an emerging modality with significant promise for biomedical applications such as neuroimaging, owing to its capability to capture large fields of view, deep inside complex scattering tissue. However, the widespread adoption of this technique has been hindered by a lack of suitable molecular reporters for this modality. In this work, we introduce chemigenetic labels and calcium sensors specifically tailored for photoacoustic imaging, using a combination of synthetic dyes and HaloTag-based self-labelling proteins. We rationally design and engineer far-red “acoustogenic” dyes, showing high photoacoustic turn-ons upon binding to HaloTag, and develop a suite of tunable calcium indicators based on these scaffolds. These first-generation photoacoustic reporters show excellent performance in tissue-mimicking phantoms, with the best variants outperforming existing sensors in terms of signal intensity, sensitivity and photostability. We demonstrate the application of these ligands for labelling HaloTag-expressing neurons in mouse brain tissue, producing strong, specifically targeted photoacoustic signal, and provide a first example of in vivo labelling with these chemigenetic photoacoustic probes. Together, this work establishes a new approach for the design of photoacoustic reporters, paving the way towards deep tissue functional imaging.

CAMSAP/Patronins regulate microtubule minus-end dynamics. Their end specificity is mediated by their CKK domains, which we proposed recognise specific tubulin conformations found at minus ends. To critically test this idea, we compared the human CAMSAP1 CKK domain (HsCKK) with a CKK domain from Naegleria gruberi (NgCKK), which has lost minus-end specificity. Near-atomic cryo-electron microscopy structures of HsCKK- and NgCKK-microtubule complexes show that these CKK domains share the same protein fold, bind at the intradimer interprotofilament tubulin junction, but exhibit subtly different footprints on microtubules. Whereas NgCKK binding does not alter the microtubule architecture, HsCKK remodels its microtubule interaction site and changes the underlying polymer structure because the tubulin lattice conformation is not optimal for its binding. NMR experiments show that HsCKK is remarkably rigid, supporting this remodelling ability. Thus, in contrast to many MAPs, CKK domains can differentiate subtly specific tubulin conformations to enable microtubule minus-end recognition.