Integrative in-cell structural biology In bacteria, RNA polymerases can associate with ribosomes to form transcription-translation units called expressomes. Multiple models based on structural data of in vitro reconstitution assays have been proposed for how the two machineries interface with one another. Understanding this bacteria-specific coupling mechanism offers insight regarding the central dogma of molecular biology and might be leveraged for antibiotic development. O'Reilly et al. found that the NusA protein interfaces between the two complexes. The authors combined cryo–electron tomography and cross-linking mass spectrometry to produce an integrative model of the transcribing, translating expressome of Mycoplasma pneumoniae obtained entirely from in-cell data. This approach contributes to the development of in-cell structural biology. Science , this issue p. 554

We present a concise workflow to enhance the mass spectrometric detection of crosslinked peptides by introducing sequential digestion and the crosslink identification software Xi. Sequential digestion enhances peptide detection by selective shortening of long tryptic peptides. We demonstrate our simple 12-fraction protocol for crosslinked multi-protein complexes and cell lysates, quantitative analysis, and high-density crosslinking, without requiring specific crosslinker features. This overall approach reveals dynamic protein-protein interaction sites, which are accessible, have fundamental functional relevance and are therefore ideally suited for the development of small molecule inhibitors.

Abstract Structural biology performed inside cells can capture molecular machines in action within their native context. Here we develop an integrative in-cell structural approach using the genome-reduced human pathogen Mycoplasma pneumoniae . We combine whole-cell crosslinking mass spectrometry, cellular cryo-electron tomography, and integrative modeling to determine an in-cell architecture of a transcribing and translating expressome at sub-nanometer resolution. The expressome comprises RNA polymerase (RNAP), the ribosome, and the transcription elongation factors NusG and NusA. We pinpoint NusA at the interface between a NusG-bound elongating RNAP and the ribosome, and propose it could mediate transcription-translation coupling. Translation inhibition dissociates the expressome, whereas transcription inhibition stalls and rearranges it, demonstrating that the active expressome architecture requires both translation and transcription elongation within the cell.

SUMMARY Despite key roles in sister chromatid cohesion and chromosome organization, the mechanism by which cohesin rings are loaded onto DNA is still unknown. Here, we combine biophysical approaches and cryo-EM to visualize a cohesin loading intermediate in which DNA is locked between two gates that lead into the cohesin ring. Building on this structural framework, we design biochemical experiments to establish the order of events during cohesin loading. In an initial step, DNA traverses an N-terminal kleisin gate that is first opened upon ATP binding and then closed as the cohesin loader locks the DNA against a shut ATPase gate. ATP hydrolysis leads to ATPase gate opening to complete DNA entry. Whether DNA loading is successful, or rather results in loop extrusion, might be dictated by a conserved kleisin N-terminal tail that guides the DNA through the kleisin gate. Our results establish the molecular basis for cohesin loading onto DNA.

Summary Accurately modeling the structures of proteins and their complexes using artificial intelligence is revolutionizing molecular biology. Experimental data enables a candidate-based approach to systematically model novel protein assemblies. Here, we use a combination of in-cell crosslinking mass spectrometry, cofractionation mass spectrometry (CoFrac-MS) to identify protein-protein interactions in the model Gram-positive bacterium Bacillus subtilis . We show that crosslinking interactions prior to cell lysis reveals protein interactions that are often lost upon cell lysis. We predict the structures of these protein interactions and others in the Subti Wiki database with AlphaFold-Multimer and, after controlling for the false-positive rate of the predictions, we propose novel structural models of 153 dimeric and 14 trimeric protein assemblies. Crosslinking MS data independently validates the AlphaFold predictions and scoring. We report and validate novel interactors of central cellular machineries that include the ribosome, RNA polymerase and pyruvate dehydrogenase, assigning function to several uncharacterized proteins. Our approach uncovers protein-protein interactions inside intact cells, provides structural insight into their interaction interface, and is applicable to genetically intractable organisms, including pathogenic bacteria.

Most eukaryotic messenger RNAs (mRNAs) are processed at their 3' end by the cleavage and polyadenylation specificity factor (CPF/CPSF). CPF mediates the endonucleolytic cleavage of the pre-mRNA and addition of a polyadenosine (poly(A)) tail, which together define the 3' end of the mature transcript. The activation of CPF is highly regulated to maintain the fidelity of RNA processing. Here, using cryo-EM of yeast CPF, we show that the Mpe1 subunit directly contacts the polyadenylation signal sequence in nascent pre-mRNA. The region of Mpe1 that contacts RNA also promotes the activation of CPF endonuclease activity and controls polyadenylation. The Cft2 subunit of CPF antagonizes the RNA-stabilized configuration of Mpe1. In vivo, the depletion or mutation of Mpe1 leads to widespread defects in transcription termination by RNA polymerase II, resulting in transcription interference on neighboring genes. Together, our data suggest that Mpe1 plays a major role in accurate 3' end processing, activating CPF, and ensuring timely transcription termination.

Abstract Eukaryotic messenger RNA (mRNA) decay is generally initiated by removal of the 3’ polyadenosine (poly(A)) tail by the CCR4-NOT complex. Yeast Ccr4-Not binds and ubiquitinates ribosomes stalled on mRNAs with sub-optimal codons to trigger deadenylation and decay of the associated transcript. However, the mammalian ortholog of the E3 ubiquitin ligase subunit, CNOT4, is not a constitutive component of human CCR4-NOT. It therefore remains unclear how the mammalian deadenylation machinery targets stalled ribosomes. Here, we reconstitute translational stalling on non-optimal codons. We find that human CCR4-NOT recognizes translating mammalian ribosomes and is required for stable CNOT4 association. Our cryoEM structure reveals that the CNOT3 subunit detects slow translation and locks the L1 stalk of the ribosome in an open conformation to impede further elongation. Using crosslinking mass spectrometry, we show that CNOT4 and CNOT11 also bind in the vicinity of the E site. Overall, our work defines how CCR4-NOT enforces ribosomal stalling in response to low codon optimality.

Crosslinking mass spectrometry is widening its scope from structural analyzes of purified multi-protein complexes towards systems-wide analyzes of protein-protein interactions. Assessing the error in these large datasets is currently a challenge. Using a controlled large-scale analysis of Escherichia coli cell lysate, we demonstrate a reliable false-discovery rate estimation procedure for protein-protein interactions identified by crosslinking mass spectrometry.

Abstract Most eukaryotic messenger RNAs (mRNAs) are processed at their 3’-end by the cleavage and polyadenylation factor (CPF/CPSF). CPF mediates endonucleolytic cleavage of the pre-mRNA and addition of a polyadenosine (poly(A)) tail, which together define the 3’-end of the mature transcript. Activation of CPF is highly regulated to maintain fidelity of RNA processing. Here, using cryoEM of yeast CPF, we show that the Mpe1 subunit directly contacts the polyadenylation signal sequence in nascent pre- mRNA. This RNA-mediated link between the nuclease and polymerase modules promotes activation of the CPF endonuclease and controls polyadenylation. Mpe1 rearrangement is antagonized by another subunit, Cft2. In vivo , depletion of Mpe1 leads to widespread defects in transcription termination by RNA Polymerase II, resulting in transcription interference on neighboring genes. Together, our data suggest that Mpe1 plays a major role in selecting the cleavage site, activating CPF and ensuring timely transcription termination.

Abstract Dynactin is a 1.1 MDa complex that activates the molecular motor, dynein, for ultra-processive transport along microtubules. In order to do this it forms a tripartite complex with dynein and a coiled-coil adaptor. Dynactin consists of an actin-related filament whose length is defined by its flexible shoulder domain. Despite previous cryo-EM structures, the molecular architecture of the shoulder and pointed end of the filament is still poorly understood due to the lack of high-resolution information in these regions. Here we combine multiple cryo-EM datasets and define precise masking strategies for particle signal subtraction and 3D classification. This overcomes domain flexibility and results in high resolution maps into which we can build the shoulder and pointed end. The unique architecture of the shoulder positions the four identical p50 subunits in different conformations to bind dynactin’s filament and securely houses the p150 subunit. The pointed end map allows us to build the first structure of p62, and reveals the molecular basis for cargo adaptor binding to different sites at the pointed end.