Herpes simplex virus, a DNA virus of high complexity, consists of a nucleocapsid surrounded by the tegument—a protein compartment—and the envelope. The latter components, essential for infectivity, are pleiomorphic. Visualized in cryo–electron tomograms of isolated virions, the tegument was seen to form an asymmetric cap: On one side, the capsid closely approached the envelope; on the other side, they were separated by ∼35 nanometers of tegument. The tegument substructure was particulate, with some short actin-like filaments. The envelope contained 600 to 750 glycoprotein spikes that varied in length, spacing, and in the angles at which they emerge from the membrane. Their distribution was nonrandom, suggesting functional clustering.

Viral RNA exported from the coronavirus replication organelle is likely to be mediated by a crown-shaped molecular pore.

Vesicular nucleo-cytoplasmic transport is becoming recognized as a general cellular mechanism for translocation of large cargoes across the nuclear envelope. Cargo is recruited, enveloped at the inner nuclear membrane (INM), and delivered by membrane fusion at the outer nuclear membrane. To understand the structural underpinning for this trafficking, we investigated nuclear egress of progeny herpesvirus capsids where capsid envelopment is mediated by two viral proteins, forming the nuclear egress complex (NEC). Using a multi-modal imaging approach, we visualized the NEC in situ forming coated vesicles of defined size. Cellular electron cryo-tomography revealed a protein layer showing two distinct hexagonal lattices at its membrane-proximal and membrane-distant faces, respectively. NEC coat architecture was determined by combining this information with integrative modeling using small-angle X-ray scattering data. The molecular arrangement of the NEC establishes the basic mechanism for budding and scission of tailored vesicles at the INM.

Coronavirus genome replication is associated with virus-induced cytosolic double-membrane vesicles, which may provide a tailored micro-environment for viral RNA synthesis in the infected cell. However, it is unclear how newly synthesized genomes and mRNAs can travel from these sealed replication compartments to the cytosol to ensure their translation and the assembly of progeny virions. Here, using cellular electron cryo-microscopy, we unveiled a molecular pore complex that spans both membranes of the double-membrane vesicle and would allow export of RNA to the cytosol. A hexameric assembly of a large viral transmembrane protein was found to form the core of the crown-shaped complex. This coronavirus-specific structure likely plays a critical role in coronavirus replication and thus constitutes a novel drug target

Abstract The malaria parasite undergoes a series of extensive morphological changes within its human host and mosquito vector. A scaffold of microtubules beneath a peripheral double membrane establishes and maintains the distinct shapes of all infectious forms, but the underlying structural basis remains unknown. Here we applied in situ electron cryo-tomography after focused ion beam milling to follow changes in the microtubule cytoskeleton throughout the Plasmodium life cycle. This revealed an unexpected level of structural and architectural diversity so far not observed in other organisms. Microtubules in migrating mosquito forms consist of 13 protofilaments reinforced by interrupted luminal helices. Conversely, gametocyte microtubules consist of 13 to 18 protofilaments with doublets, triplets and quadruplets of varying arrangements. We show the microtubule cytoskeleton within the native cellular context, highlighting structurally diverse apical rings which act as microtubule organising centres. This provides a unique view into a relevant human pathogen with an unusual microtubule cytoskeleton.

Abstract Mimivirus is the prototype of the Mimiviridae family of giant dsDNA viruses. Little is known about the organization of the 1.2 Mb genome inside the membrane-limited nucleoid filling the ∼0.5 µm icosahedral capsids. Cryo-electron microscopy, cryo-electron tomography and proteomics revealed that it is encased into a ∼30 nm diameter helical protein shell surprisingly composed of two GMC-type oxidoreductases, which also form the glycosylated fibrils decorating the capsid. The genome is arranged in 5- or 6-start left-handed super-helices, with each DNA-strand lining the central channel. This luminal channel of the nucleoprotein fiber is wide enough to accommodate oxidative stress proteins and RNA polymerase subunits identified by proteomics. Such elegant supramolecular organization would represent a remarkable evolutionary strategy for packaging and protecting the genome, in a state ready for immediate transcription upon unwinding in the host cytoplasm. The parsimonious use of the same protein in two unrelated substructures of the virion is unexpected for a giant virus with thousand genes at its disposal. One-Sentence Summary Mimivirus genome organization in the icosahedral virion.

Abstract Although vaccinia virus (VACV) is the best studied poxvirus, the structure of the mature virus (MV) remains poorly understood. Its asymmetric shape, size and compactness poses a major challenge for electron microscopy (EM) analysis, including cryoEM. Sub-viral particles, in particular membrane-free viral cores, may overcome these limitations. We compare cores obtained by detergent-stripping MVs with cores in the cellular cytoplasm, early in infection. By combining cryo-electron tomography (cryoET), subtomogram averaging (STA) and AlphaFold2 (AF2), abundant core-structures are analyzed, focusing on the prominent palisade layer on the core surface. On detergent-stripped cores, the palisade is composed of densely packed trimers of the major core protein A10. On the core surface they display a random order and their classification indicate structural flexibility. On cytoplasmic cores A10 is organized in a similar manner, indicating that the structures obtained in vitro are physiologically relevant. CryoET and STA also uncover unexpected details of the layers beneath the palisade both on in vitro and in situ cores, that are compared to AF2 structure predictions of known VACV core-associated proteins. Altogether, our data identify for the first time the structure and molecular composition of the palisade units. The results are discussed in the context of the VACV replicative cycle, the assembly and disassembly of the infectious MV.

Abstract Lassa virus, which causes annual outbreaks in West Africa with increasing case numbers in recent years, is recognized by the WHO R&D blueprint as a significant threat for public health with high epidemic potential and no effective countermeasures. The viral large (L) protein, which contains the RNA-dependent RNA polymerase, is a key player for transcription of viral mRNA and genome replication. Here we present nine cryo-EM structures of Lassa virus L protein in the apo-, promoter-bound pre-initiation and active RNA synthesis states. We characterize distinct binding pockets for the conserved genomic 3’ and 5’ promoter RNAs and show how full-promoter binding induces a distinct pre-initiation conformation. In the apo- and elongation states, the endonuclease is inhibited by the binding of two distinct L protein peptides in the active site, respectively, whereas in the pre-initiation state, the endonuclease is uninhibited. In the stalled, early elongation state, a template-product duplex is bound in the active site cavity together with an incoming non-hydrolysable nucleotide. In this configuration, the full C-terminal region of the L protein, including the putative cap-binding domain, is highly ordered. The structural data are complemented by in vitro and cell-based studies testing a broad range of L protein mutants to probe functional relevance. These data advance our mechanistic understanding of how this flexible and multifunctional molecular machine is activated and will underpin antiviral drug development targeting the arenavirus L protein.

ABSTRACT Severe fever with thrombocytopenia syndrome virus (SFTSV) is a phenuivirus that has rapidly become endemic in several East Asian countries. The large (L) protein of SFTSV, which includes the RNA-dependent RNA polymerase (RdRp), is responsible for catalysing viral genome replication and transcription. Here, we present 5 cryo-electron microscopy (cryo-EM) structures of the L protein in several states of the genome replication process, from pre-initiation to late-stage elongation, at a resolution of up to 2.6 Å. We identify how the L protein binds the 5′ viral RNA in a hook-like conformation and show how the distal 5′ and 3′ RNA ends form a duplex positioning the 3′ RNA terminus in the RdRp active site ready for initiation. We also observe the L protein stalled in the early- and late-stages of elongation with the RdRp core accommodating a 9-bp product-template duplex. This duplex ultimately splits with the template binding to a designated 3′ secondary binding site. The structural data and observations are complemented by in vitro biochemical and cell-based mini-replicon assays. Altogether, our data provide novel key insights into the mechanism of viral genome replication by the SFTSV L protein and will aid drug development against segmented negative-strand RNA viruses.