BUSTER-TNT is a maximum-likelihood macromolecular refinement package. BUSTER assembles the structural model, scales observed and calculated structure-factor amplitudes and computes the model likelihood, whilst TNT handles the stereochemistry and NCS restraints/constraints and shifts the atomic coordinates, B factors and occupancies. In real space, in addition to the traditional atomic and bulk-solvent models, BUSTER models the parts of the structure for which an atomic model is not yet available ('missing structure') as low-resolution probability distributions for the random positions of the missing atoms. In reciprocal space, the BUSTER structure-factor distribution in the complex plane is a two-dimensional Gaussian centred around the structure factor calculated from the atomic, bulk-solvent and missing-structure models. The errors associated with these three structural components are added to compute the overall spread of the Gaussian. When the atomic model is very incomplete, modelling of the missing structure and the consistency of the BUSTER statistical model help structure building and completion because (i) the accuracy of the overall scale factors is increased, (ii) the bias affecting atomic model refinement is reduced by accounting for some of the scattering from the missing structure, (iii) the addition of a spatial definition to the source of incompleteness improves on traditional Luzzati and sigmaA-based error models and (iv) the program can perform selective density modification in the regions of unbuilt structure alone.

Summary The bacterial flagellum is the proto-typical protein nanomachine and comprises a rotating helical propeller attached to a membrane-embedded motor complex 1 . The motor consists of a central rotor surround by stator units that couple ion flow across the cytoplasmic membrane to torque generation. Here we present the structures of stator complexes from multiple bacterial species, allowing interpretation of the extensive body of data on stator mechanism. The structures reveal an unexpected asymmetric A 5 B 2 subunit assembly in which the five A subunits enclose the two B subunits. Comparison to novel structures of other ion-driven motors indicates that this A 5 B 2 architecture is fundamental to bacterial systems that couple energy from ion-flow to generate mechanical work at a distance, and suggests that such events involve rotation in the motor structures.

Summary Ion-driven motors are rare in biology. The archetypes of the three classes identified to date are ATP synthase, the bacterial flagellar motor, and a proton-driven motor that powers gliding motility and protein secretion in Bacteroidetes bacteria. Whilst the molecular mechanism of ATP synthase is now well understood, structural information is lacking for the other two classes of motor. Here we present the structure of the Bacteroidetes gliding motility motor determined by cryo-electron microscopy. The motor is an asymmetric inner membrane protein complex in which the single transmembrane helices of two periplasm-spanning GldM proteins are positioned within a ring of five GldL proteins. Combining mutagenesis and single-molecule tracking, we identify protonatable amino acid residues within the transmembrane domain of the complex that are important for motor function. Our data imply a mechanism in which proton flow leads the periplasm-spanning GldM dimer to rotate with respect to the intra-membrane GldL ring to drive processes at the bacterial outer membrane. This work provides a molecular basis for understanding how the gliding motility motor is able to transduce the energy of the inner membrane protonmotive force across the bacterial cell envelope.

Abstract Type three secretion is the mechanism of protein secretion found in bacterial flagella and injectisomes. At its centre is the export apparatus (EA), a complex of five membrane proteins through which secretion substrates pass the inner membrane. While the complex formed by four of the EA proteins has been well characterised structurally, little is known about the structure of the membrane domain of the largest subunit, FlhA in flagella, SctV in injectisomes. Furthermore, the biologically relevant nonameric assembly of FlhA/SctV has been infrequently observed and differences in conformation of the cytoplasmic portion of FlhA/SctV between open and closed states have been suggested to reflect secretion system specific differences. FlhA has been shown to bind to chaperone-substrate complexes in an open state, but in previous assembled ring structures, SctV is in a closed state. Here, we identify FlhA and SctV homologues that can be recombinantly produced in the oligomeric state and study them using cryo-electron microscopy. The structures of the cytoplasmic domains from both FlhA and SctV are in the open state and we observe a conserved interaction between a short stretch of residues at the N-terminus of the cytoplasmic domain, known as FlhA L /SctV L , with a groove on the adjacent protomer’s cytoplasmic domain, which stabilises the nonameric ring assembly.

Cysteine plays an essential role in cellular redox homeostasis as a key constituent of the tripeptide glutathione (GSH). A rate limiting step in cellular GSH synthesis is the availability of cysteine. However, circulating cysteine exists in the blood as the oxidised di-peptide cystine, requiring specialised transport systems for its import into the cell. System xc- is a dedicated cystine transporter, importing cystine in exchange for intracellular glutamate. To counteract elevated levels of reactive oxygen species in cancerous cells system xc- is frequently upregulated, making it an attractive target for anticancer therapies. However, the molecular basis for ligand recognition remains elusive, hampering efforts to specifically target this transport system. Here we present the cryo-EM structure of system xc- in both the apo and glutamate bound states. Structural comparisons reveal an allosteric mechanism for ligand discrimination, supported by molecular dynamics and cell-based assays, establishing a mechanism for cystine transport in human cells.

Abstract Huntington’s disease results from expansion of a glutamine-coding CAG tract in the huntingtin (HTT) gene, producing an aberrantly functioning form of HTT. Both wildtype and disease-state HTT form a hetero-dimer with HAP40 of unknown functional relevance. We demonstrate in vivo that HTT and HAP40 cellular abundance are coupled. Integrating data from a 2.6 Å cryo-electron microscopy structure, cross-linking mass spectrometry, small-angle X-ray scattering, and modeling, we provide a near-atomic-level view of HTT, its molecular interaction surfaces and compacted domain architecture, orchestrated by HAP40. Native mass-spectrometry reveals a remarkably stable hetero-dimer, potentially explaining the cellular inter-dependence of HTT and HAP40. The polyglutamine tract containing N-terminal exon 1 region of HTT is dynamic, but shows greater conformational variety in the mutant than wildtype exon 1. By providing novel insight into the structural consequences of HTT polyglutamine expansion, our data provide a foundation for future functional and drug discovery studies targeting Huntington’s disease.

Abstract Gliding motility using cell surface adhesins and export of proteins by the Type IX Secretion System (T9SS) are two phylum-specific features of the Bacteroidetes . Both of these processes are energized by the GldLM motor complex which transduces the protonmotive force at the inner membrane into mechanical work at the outer membrane. We previously used cryo-electron microscopy to solve the structure of the GldLM motor core from Flavobacterium johnsoniae at 3.9 Å resolution ( Nat Microbiol (2021) 6: 221-233). Here we present structures of homologous complexes from a range of pathogenic and environmental Bacteroidetes species at up to 3.0 Å resolution. These structures show that the architecture of the GldLM motor core is conserved across the Bacteroidetes phylum although there are species-specific differences at the N-terminus of GldL. The resolution improvements reveal a cage-like structure that ties together the membrane-proximal cytoplasmic region of GldL and influences gliding function. These findings add detail to our structural understanding of bacterial ion-driven motors that drive the T9SS and gliding motility. Importance Many bacteria in the Bacteroidetes phylum use the Type IX Secretion System to secrete proteins across their outer membrane. Most of these bacteria can also glide across surfaces using adhesin proteins that are propelled across the cell surface. Both secretion and gliding motility are driven by the GldLM protein complex which forms a nanoscale electrochemical motor. We used cryo-electron microscopy to study the structure of the GldLM protein complex from different species including the human pathogens Porphyromonas gingivalis and Capnocytophaga canimorsus . The organisation of the motor is conserved across species, but we find species-specific structural differences and resolve motor features at higher resolution. This work improves our understanding of the Type IX Secretion System, which is a virulence determinant in human and animal diseases.

Abstract Huntington’s disease is characterised by CAG expansion in the huntingtin gene above a critical threshold of ~ 35 repeats, resulting in polyglutamine expansion of the huntingtin protein (HTT). The biological role of wildtype HTT and the associated mechanisms of disease pathology caused by expanded HTT remain incompletely understood, in part, due to challenges characterising interactions between HTT and putative binding partners. Here we describe a biochemical toolkit of rationally designed, high-quality recombinant HTT subdomains; one spanning the N-terminal HEAT and bridge domains (NTD) and the second spanning the C-terminal HEAT domain (CTD). Using biophysical methods and cryo-electron microscopy, we show these smaller subdomains are natively folded and can associate to reconstitute a functional full-length HTT structure capable of forming a near native-like complex with 40 kDa HTT-associated protein (HAP40). We report biotin-tagged variants of these subdomains, as well as full-length HTT, that permit immobilisation of each protein for quantitative biophysical assays without impacting protein quality. We demonstrate the CTD alone can form a stable complex when co-expressed with HAP40, which can be structurally resolved. The CTD-HAP40 complex binds the NTD, with a dissociation constant of approximately 10 nM as measured by bio-layer interferometry. We validate the interaction between the CTD and HAP40 using a luciferase two-hybrid assay and use subdomain constructs to demonstrate their respective stabilization of HAP40 in cells. These open-source biochemical tools will enable the wider HD community to study fundamental HTT biology, discover new macromolecular or small-molecule binding partners and map interaction sites across this very large protein.

Abstract Activation of the serum-resident complement system begins a cascade that leads to activation of membrane-resident complement receptors on immune cells, thus coordinating serum and cellular immune responses. Whilst many molecules act to control inappropriate activation, Properdin is the only known positive regulator of the human complement system. By stabilising the alternative pathway C3 convertase it promotes complement self-amplification and persistent activation boosting the magnitude of the serum complement response by all triggers. We have identified a novel family of alternative pathway complement inhibitors, hereafter termed CirpA. Functional and structural characterisation reveals that CirpA family directly bind to properdin, inhibiting its ability to promote complement activation, and leading to potent inhibition of the complement response in a species specific manner. For the first time this study provides a full functional and structural characterization of a properdin inhibitor, opening avenues for future therapeutic approaches.