Cryo-electron tomography provides detailed views of macromolecules in situ . However, imaging a large field of view to provide more cellular context requires reducing magnification during data collection, which in turn restricts the resolution. To circumvent this trade-off between field of view and resolution, we have developed a montage data collection scheme that uniformly distributes the dose throughout the specimen. In this approach, sets of slightly overlapping circular tiles are collected at high magnification and stitched to form a composite projection image at each tilt angle. These montage tilt-series are then reconstructed into massive tomograms with a small pixel size but a large field of view. For proof-of-principle, we applied this method to the thin edge of HeLa cells. Thon rings to better than 15 Å were observed in the montaged tilt-series, and diverse cellular features were evident in the resulting tomograms. These results indicate that the additional dose required by this technique is not prohibitive to performing structural analysis to intermediate resolution across a large field of view. We anticipate that montage tomography will prove particularly useful for lamellae, increase the likelihood of imaging rare cellular events, and facilitate visual proteomics.

The signaling network of the unfolded protein response (UPR) adjusts the protein folding capacity of the endoplasmic reticulum (ER) according to need. The most conserved UPR sensor, IRE1α, spans the ER membrane and activates through oligomerization. IRE1α oligomers accumulate in dynamic foci. We determined the in-situ structure of IRE1α foci by cryogenic correlated light and electron microscopy (cryo-CLEM), combined with electron cryo-tomography (cryo-ET) and complementary immuno-electron microscopy. IRE1α oligomers localize to a network of narrow anastomosing ER tubes (diameter ~28 nm) with complex branching. The lumen of the tubes contains protein filaments, likely composed of linear arrays of IRE1α lumenal domain dimers, arranged in two intertwined, left-handed helices. Our findings define a previously unrecognized ER subdomain and suggest positive feedback in IRE1 signaling.

Abstract Local protein synthesis in axons and dendrites underpins synaptic plasticity. However, the composition of the protein synthesis machinery in distal neuronal processes and the mechanisms for its activity-driven deployment to local translation sites remain unclear. Here, we employed cryo-electron tomography, volume electron microscopy, and live-cell imaging to identify Ribosome-Associated Vesicles (RAVs) as a dynamic platform for moving ribosomes to distal processes. Stimulation via chemically-induced long-term potentiation causes RAV accumulation in distal sites to drive local translation. We also demonstrate activity-driven changes in RAV generation and dynamics in vivo , identifying tubular ER shaping proteins in RAV biogenesis. Together, our work identifies a mechanism for ribosomal delivery to distal sites in neurons to promote activity-dependent local translation.

Abstract Interactions between respiratory viruses impact viral transmission dynamics and clinical outcomes. To identify and characterize virus-virus interactions at the cellular level, we coinfected human lung cells with influenza A virus (IAV) and respiratory syncytial virus (RSV). Super-resolution microscopy, live-cell imaging, scanning electron microscopy, and cryo-electron tomography revealed extracellular and membrane-associated filamentous structures consistent with hybrid viral particles (HVPs). We show that HVPs harbor surface glycoproteins and ribonucleoproteins of IAV and RSV, and use the RSV fusion glycoprotein to evade anti-IAV neutralising antibodies and to infect and spread among cells lacking IAV receptors. Finally, we show evidence of IAV and RSV coinfection within cells of the bronchial epithelium, with viral proteins from both viruses co-localising at the apical surface. Our observations have profound implications for infection biology as they define a previously unknown interaction between respiratory viruses that might affect virus pathogenesis by expanding virus tropism and facilitating immune evasion.

Abstract The Legionella pneumophila Dot/Icm type IV secretion system (T4SS) delivers effector proteins into host cells during infection. Despite its significance as a potential drug target, our current understanding of its atomic structure is limited to isolated subcomplexes. In this study, we used subtomogram averaging and integrative modeling to construct a nearly-complete model of the Dot/Icm T4SS accounting for seventeen protein components. We locate and provide insights into the structure and function of six new components including DotI, DotJ, DotU, IcmF, IcmT, and IcmX. We find that the cytosolic N-terminal domain of IcmF, a key protein forming a central hollow cylinder, interacts with DotU, providing insight into previously uncharacterized density. Furthermore, our model, in combination with analyses of compositional heterogeneity, explains how the cytoplasmic ATPase DotO is connected to the periplasmic complex via interactions with membrane-bound DotI/DotJ proteins. Coupled with in situ infection data, our model offers new insights into the T4SS-mediated secretion mechanism.

Cryogenic correlated light and electron microscopy (cryo-CLEM) is a valuable tool for studying biological processes in situ. In cryo-CLEM, a target protein of interest is tagged with a fluorophore and the location of the corresponding fluorescent signal is used to identify the structure in low-contrast but feature-rich cryo-EM images. To date, cryo-CLEM studies of mammalian cells have relied on very bright organic dyes or fluorescent protein tags concentrated in virus particles. Here we describe a method to expand the application of cryo-CLEM to cells harboring genetically-encoded fluorescent proteins. We discovered that a variety of mammalian cells exhibit strong punctate autofluorescence when imaged under cryogenic conditions (80K). Compared to fluorescent protein tags, these sources of autofluorescence exhibit a broader spectrum of fluorescence, which we exploited to develop a simple, robust approach to discriminate between the two. We validate this method in INS-1E cells using a mitochondrial marker, and apply it to study the ultrastructural variability of secretory granules in a near-native state within intact INS-1E pancreatic cells by high-resolution 3D electron cryotomography.

Members of the TRIM protein family have been shown to gather into structures in both the nucleus and cytoplasm. One TRIM protein family member, TRIM5α, has been shown to form cytoplasmic bodies involved in restricting retroviruses such as HIV-1. Here we applied cryogenic correlated light and electron microscopy (cryo-CLEM) to intact mammalian cells expressing YFP-rhTRIM5α and found hexagonal nets were present whose arm-lengths were similar to those of the hexagonal nets formed by purified TRIM5α in-vitro. We also observed YFP-rhTRIM5α within a diversity of structures with characteristics expected for organelles involved in different stages of macroautophagy, including disorganized protein aggregations (sequestosomes), sequestosomes flanked by flat double-membraned vesicles (sequestosome:phagophore complexes), sequestosomes within a double-membraned vesicle (autophagosomes), and sequestosomes within multi-vesicular autophagic vacuoles (autolysosomes or amphisomes). Vaults were also seen in these structures, consistent with their role in autophagy. Our data (i) support recent reports that TRIM5α can form both well-organized signaling complexes and non-signaling aggregates, (ii) offer the first images of the macroautophagy pathway in a near-native state, and (iii) reveal that vaults arrive early in macroautophagy.