Abstract Selecting particles from digital micrographs is an essential step in single-particle electron cryomicroscopy (cryo-EM). As manual selection of complete datasets—typically comprising thousands of particles—is a tedious and time-consuming process, numerous automatic particle pickers have been developed. However, non-ideal datasets pose a challenge to particle picking. Here we present the particle picking software crYOLO which is based on the deep-learning object detection system You Only Look Once (YOLO). After training the network with 200–2500 particles per dataset it automatically recognizes particles with high recall and precision while reaching a speed of up to five micrographs per second. Further, we present a general crYOLO network able to pick from previously unseen datasets, allowing for completely automated on-the-fly cryo-EM data preprocessing during data acquisition. crYOLO is available as a standalone program under http://sphire.mpg.de/ and is distributed as part of the image processing workflow in SPHIRE.

Membrane fusion within the eukaryotic endomembrane system depends on the initial recognition of Rab GTPase on transport vesicles by multisubunit tethering complexes and subsequent coupling to SNARE-mediated fusion. The conserved vacuolar/lysosomal homotypic fusion and vacuole protein sorting (HOPS) tethering complex combines both activities. Here we present the overall structure of the fusion-active HOPS complex. Our data reveal a flexible ≈30-nm elongated seahorse-like structure, which can adopt contracted and elongated shapes. Surprisingly, both ends of the HOPS complex contain a Rab-binding subunit: Vps41 and Vps39. The large head contains in addition to Vps41 the SNARE-interacting Vps33, whereas Vps39 is found in the bulky tip of its tail. Vps11 and Vps18 connect head and tail. Our data suggest that HOPS bridges Ypt7-positive membranes and chaperones SNAREs at fusion sites.

SPHIRE (SPARX for High-Resolution Electron Microscopy) is a novel open-source, user-friendly software suite for the semi-automated processing of single particle electron cryo-microscopy (cryo-EM) data. The protocol presented here describes in detail how to obtain a near-atomic resolution structure starting from cryo-EM micrograph movies by guiding users through all steps of the single particle structure determination pipeline. These steps are controlled from the new SPHIRE graphical user interface and require minimum user intervention. Using this protocol, a 3.5 Å structure of TcdA1, a Tc toxin complex from Photorhabdus luminescens, was derived from only 9500 single particles. This streamlined approach will help novice users without extensive processing experience and a priori structural information, to obtain noise-free and unbiased atomic models of their purified macromolecular complexes in their native state.

Abstract Single particle electron cryomicroscopy (cryo-EM) requires full automation to allow high-throughput structure determination which is especially important for drug discovery research. Although several software packages exist where parts of the cryo-EM pipeline are automated, a complete solution that offers reliable, quality-optimized on-the-fly processing, resulting in a high-resolution three-dimensional reconstruction does not exist. Here we present TranSPHIRE: A software package for fully automated processing of cryo-EM data sets during data acquisition. TranSPHIRE transfers data from the microscope, automatically applies the common pre-processing steps, picks particles, performs 2D clustering, and 3D refinement parallel to image recording. Importantly, TranSPHIRE introduces a machine learning-based feedback loop to re-train its internally used picking model to adapt to any given data set live during processing. This elegant approach enables TranSPHIRE to process data more effectively, producing high-quality particle stacks. TranSPHIRE collects, and displays all microscope settings and metrics generated by its individual tools, in order to allow users to quickly evaluate data during acquisition. TranSPHIRE can run on a single work station and also includes the automated processing of filaments.

Abstract Anthrax toxin is the major virulence factor secreted by Bacillus anthracis , causing high mortality in humans and other mammals. It consists of a membrane translocase, known as protective antigen (PA), that catalyzes the unfolding of its cytotoxic substrates lethal factor (LF) and edema factor (EF), followed by translocation into the host cell. Substrate recruitment to the heptameric PA pre-pore and subsequent translocation, however, are not well understood. Here, we report three high-resolution cryo-EM structures of the fully-loaded anthrax lethal toxin in its heptameric pre-pore state, which differ in the position and conformation of LFs. The structures reveal that three LFs interact with the heptameric PA and upon binding change their conformation to form a continuous chain of head-to-tail interactions. As a result of the underlying symmetry mismatch, one LF binding site in PA remains unoccupied. Whereas one LF directly interacts with a part of PA called α-clamp, the others do not interact with this region, indicating an intermediate state between toxin assembly and translocation. Interestingly, the interaction of the N-terminal domain with the α-clamp correlates with a higher flexibility in the C-terminal domain of the protein. Based on our data, we propose a model for toxin assembly, in which the order of LF binding determines which factor is translocated first.

ABSTRACT Oxalyl-CoA synthetase from Saccharomyces cerevisiae is one of the most abundant peroxisomal protein in yeast and hence has become a model to study peroxisomal translocation. It contains a C-terminal Peroxisome Targeting Signal 1, which however is partly dispensable, suggesting additional receptor bindings sites. To unravel any additional features that may contribute to its capacity to be recognized as peroxisomal target, we determined its assembly and overall architecture by an integrated structural biology approach, including X-ray crystallography, single particle cryo-electron microscopy and small angle X-ray scattering. Surprisingly, it assembles into mixture of concentration-dependent dimers, tetramers and hexamers by dimer self-association. Hexameric particles form an unprecedented asymmetric horseshoe-like arrangement, which considerably differs from symmetric hexameric assembly found in many other protein structures. A single mutation within the self-association interface is sufficient to abolish any higher-level oligomerization, resulting in homogenous dimeric assembly. The small C-terminal domain of yeast Oxalyl-CoA synthetase is connected by a partly flexible hinge with the large N-terminal domain, which provides the sole basis for oligomeric assembly. Our data provide a basis to mechanistically study peroxisomal translocation of this target.

Abstract The double-ring AAA+ ATPase Pex1/Pex6 is required for peroxisomal receptor recycling and is essential for peroxisome formation. Pex1/Pex6 mutations cause severe peroxisome associated developmental disorders. Despite its pathophysiological importance, mechanistic details of the heterohexamer are not yet available. Here, we report cryoEM structures of Pex1/Pex6 from Saccharomyces cerevisiae , with an endogenous protein substrate trapped in the central pore of the second ring (D2). Pairs of Pex1/Pex6(D2) subdomains engage the substrate via a staircase of pore-1 loops with distinct properties. The first ring (D1) is catalytically inactive but undergoes significant conformational changes resulting in alternate widening and narrowing of its pore. These events are fueled by ATP hydrolysis in the D2 ring and disengagement of a “twin-seam” Pex1/Pex6(D2) heterodimer from the staircase. Mechanical forces are propagated in a unique manner along Pex1/Pex6 interfaces that are not available in homo-oligomeric AAA-ATPases. Our structural analysis reveals the mechanisms of how Pex1 and Pex6 coordinate to achieve substrate translocation.

Abstract Latrotoxins (LaTXs) are presynaptic pore-forming neurotoxins found in the venom of Latrodectus spiders. The venom contains a toxic cocktail of seven LaTXs, with one of them targeting vertebrates (α-latrotoxin (α-LTX)), five specialized on insects (α, β, γ, δ, ɛ-latroinsectotoxins (LITs), and one on crustaceans (α-latrocrustatoxin (α-LCT)). LaTXs bind to specific receptors on the surface of neuronal cells, inducing the release of neurotransmitters either by directly stimulating exocytosis or by forming Ca 2+ -conductive tetrameric pores in the membrane. Despite extensive studies in the past decades, a high-resolution structure of a LaTX is not yet available and the precise mechanism of LaTX action remains unclear. Here, we report cryoEM structures of the α-LCT monomer and the δ-LIT dimer. The structures reveal that LaTXs are organized in four domains. A C-terminal domain of ankyrin-like repeats shields a central membrane insertion domain of six parallel α-helices. Both domains are flexibly linked via an N-terminal α-helical domain and a small β-sheet domain. A comparison between the structures suggests that oligomerization involves major conformational changes in LaTXs with longer C-terminal domains. Based on our data we propose a cyclic mechanism of oligomerization, taking place prior membrane insertion. Both recombinant α-LCT and δ-LIT form channels in artificial membrane bilayers, that are stabilized by Ca 2+ ions and allow calcium flux at negative membrane potentials. Our comparative analysis between α-LCT and δ-LIT provides first crucial insights towards understanding the molecular mechanism of the LaTX family.

Abstract The potent neurotoxic venom of the black widow spider contains a cocktail of seven phylum-specific latrotoxins (LTXs), but only one, α-LTX, targets vertebrates. This 130 kDa toxin binds to receptors at presynaptic nerve terminals and triggers a massive release of neurotransmitters. It is widely accepted that LTXs tetramerize and insert into the presynaptic membrane, thereby forming Ca 2+ -conductive pores, but the underlying mechanism remains poorly understood. LTXs are homologous and consist of an N-terminal region with three distinct domains, along with a C-terminal domain containing up to 22 consecutive ankyrin repeats. Here we report the first high resolution structures of the vertebrate-specific α-LTX tetramer in its prepore and pore state. Our structures, in combination with AlphaFold2-based structural modeling and molecular dynamics simulations, reveal dramatic conformational changes in the N-terminal region of the complex. Four distinct helical bundles synchronously rearrange to progressively form a highly stable 15 nm cation-impermeable coiled-coil stalk. This stalk, in turn, positions an N-terminal pair of helices within the membrane, thereby enabling the assembly of a cation-permeable channel. Taken together, these data unveil a unique mechanism for membrane insertion and channel formation, characteristic of the LTX family, and provide the necessary framework for advancing novel therapeutics and biotechnological applications.

Abstract The type VI s ecretion s ystem (T6SS) is a widespread protein export apparatus found in Gram-negative bacteria. The majority of T6SSs deliver toxic effector proteins into competitor bacteria. Yet, the structure, function, and activation of many of these effectors remains poorly understood. Here, we present the structures of the T6SS effector RhsA from Pseudomonas protegens and its cognate T6SS spike protein, VgrG1, at 3.3 Å resolution. The structures reveal that the r earrangement h ot s pot (Rhs) repeats of RhsA assemble into a closed anticlockwise β-barrel spiral similar to that found in bacterial insecticidal Tc toxins and in metazoan teneurin proteins. We find that the C-terminal toxin domain of RhsA is autoproteolytically cleaved but remains inside the Rhs ‘cocoon’ where, with the exception of three ordered structural elements, most of the toxin is disordered. The N-terminal ‘plug’ domain is unique to T6SS Rhs proteins and resembles a champagne cork that seals the Rhs cocoon at one end while also mediating interactions with VgrG1. Interestingly, this domain is also autoproteolytically cleaved inside the cocoon but remains associated with it. We propose that mechanical force is required to remove the cleaved part of the plug, resulting in the release of the toxin domain as it is delivered into a susceptible bacterial cell by the T6SS.