Summary

 Inflammasomes elicit host defense inside cells by activating caspase-1 for cytokine maturation and cell death. AIM2 and NLRP3 are representative sensor proteins in two major families of inflammasomes. The adaptor protein ASC bridges the sensor proteins and caspase-1 to form ternary inflammasome complexes, achieved through pyrin domain (PYD) interactions between sensors and ASC and through caspase activation and recruitment domain (CARD) interactions between ASC and caspase-1. We found that PYD and CARD both form filaments. Activated AIM2 and NLRP3 nucleate PYD filaments of ASC, which, in turn, cluster the CARD of ASC. ASC thus nucleates CARD filaments of caspase-1, leading to proximity-induced activation. Endogenous NLRP3 inflammasome is also filamentous. The cryoelectron microscopy structure of ASC^PYD filament at near-atomic resolution provides a template for homo- and hetero-PYD/PYD associations, as confirmed by structure-guided mutagenesis. We propose that ASC-dependent inflammasomes in both families share a unified assembly mechanism that involves two successive steps of nucleation-induced polymerization. 

PaperFlick

Protein dynamics are essential for protein function, and yet it has been challenging to access the underlying atomic motions in solution on nanosecond-to-microsecond time scales. We present a structural ensemble of ubiquitin, refined against residual dipolar couplings (RDCs), comprising solution dynamics up to microseconds. The ensemble covers the complete structural heterogeneity observed in 46 ubiquitin crystal structures, most of which are complexes with other proteins. Conformational selection, rather than induced-fit motion, thus suffices to explain the molecular recognition dynamics of ubiquitin. Marked correlations are seen between the flexibility of the ensemble and contacts formed in ubiquitin complexes. A large part of the solution dynamics is concentrated in one concerted mode, which accounts for most of ubiquitin's molecular recognition heterogeneity and ensures a low entropic complex formation cost.

Elucidating pathological fibril structure Amyloid-β (Aβ) is a key pathological contributor to Alzheimer's disease. Gremer et al. used cryoelectron microscopy data to build a high-quality de novo atomic model of Aβ fibrils (see the Perspective by Pospich and Raunser). The complete structure reveals all 42 amino acids (including the entire N terminus) and provides a structural basis for understanding the effect of several disease-causing and disease-preventing mutations. The fibril consists of two intertwined protofilaments with an unexpected dimer interface that is different from those proposed previously. The structure has implications for the mechanism of fibril growth and will be an important stepping stone to rational drug design. Science , this issue p. 116 ; see also p. 45

This Meeting Review describes the proceedings and conclusions from the inaugural meeting of the Electron Microscopy Validation Task Force organized by the Unified Data Resource for 3DEM (http://www.emdatabank.org) and held at Rutgers University in New Brunswick, NJ on September 28 and 29, 2010. At the workshop, a group of scientists involved in collecting electron microscopy data, using the data to determine three-dimensional electron microscopy (3DEM) density maps, and building molecular models into the maps explored how to assess maps, models, and other data that are deposited into the Electron Microscopy Data Bank and Protein Data Bank public data archives. The specific recommendations resulting from the workshop aim to increase the impact of 3DEM in biology and medicine.

Abstract Synucleinopathies, such as Parkinson’s disease (PD) and Multiple System Atrophy (MSA) are progressive and unremitting neurological diseases. For both PD and MSA, α-synuclein fibril inclusions inside brain cells are neuropathological hallmarks. In addition, amplification of α-synuclein fibrils from body fluids is a potential biomarker distinguishing PD from MSA. However, little is known about the structure of α-synuclein fibrils amplified from human samples and its connection to α-synuclein fibril structure in the human brain. Here we amplified α-synuclein fibrils from PD and MSA brain tissue, characterized its seeding potential in oligodendroglia, and determined the 3D structures by cryo-electron microscopy. We show that the α-synuclein fibrils from a MSA patient are more potent in recruiting the endogenous α-synuclein and evoking a redistribution of TPPP/p25α protein in mouse primary oligoden-droglial cultures compared to those amplified from a PD patient. Cryo-electron microscopy shows that the PD- and MSA-amplified α-synuclein fibrils share a similar protofilament fold but differ in their inter-protofilament interface. The structures of the brain-tissue amplified α-synuclein fibrils are also similar to other in vitro and ex vivo α-synuclein fibrils. Together with published data, our results suggest that αSyn fibrils differ between PD and MSA in their quaternary arrangement and could further vary between different forms of PD and MSA.

Abstract This paper describes outcomes of the 2019 Cryo-EM Map-based Model Metrics Challenge sponsored by EMDataResource ( www.emdataresource.org ). The goals of this challenge were (1) to assess the quality of models that can be produced using current modeling software, (2) to check the reproducibility of modeling results from different software developers and users, and (3) compare the performance of current metrics used for evaluation of models. The focus was on near-atomic resolution maps with an innovative twist: three of four target maps formed a resolution series (1.8 to 3.1 Å) from the same specimen and imaging experiment. Tools developed in previous challenges were expanded for managing, visualizing and analyzing the 63 submitted coordinate models, and several novel metrics were introduced. The results permit specific recommendations to be made about validating near-atomic cryo-EM structures both in the context of individual laboratory experiments and holdings of structure data archives such as the Protein Data Bank. Our findings demonstrate the relatively high accuracy and reproducibility of cryo-EM models derived from these benchmark maps by 13 participating teams, representing both widely used and novel modeling approaches. We also evaluate the pros and cons of the commonly used metrics to assess model quality and recommend the adoption of multiple scoring parameters to provide full and objective annotation and assessment of the model, reflective of the observed density in the cryo-EM map.

Abstract Amyloid-β peptide (Aβ) forms metastable oligomers >50 kD, termed AβOs or protofibrils, that are more effective than Aβ amyloid fibrils at triggering Alzheimer’s disease-related processes such as synaptic dysfunction and Tau pathology, including Tau mislocalization. In neurons, Aβ accumulates in endo-lysosomal vesicles at low pH. Here, we show that the rate of AβO assembly is accelerated 8,000-fold upon pH reduction from extracellular to endo-lysosomal pH, at the expense of amyloid fibril formation. The pH-induced promotion of AβO formation and the high endo-lysosomal Aβ concentration together enable extensive AβO formation of Aβ42 under physiological conditions. Exploiting the enhanced AβO formation of the dimeric Aβ variant dimAβ we furthermore demonstrate targeting of AβOs to dendritic spines, potent induction of Tau missorting, a key factor in tauopathies, and impaired neuronal activity. The results suggest that the endosomal/lysosomal system is a major site for the assembly of pathomechanistically relevant AβOs.

Abstract α-synuclein (αSyn) is abundant in neurons, but its misfolding and abnormal fibrillization are associated with severe neurodegenerative diseases. Although interactions between αSyn and phospholipid membranes are relevant during αSyn fibril assembly, insights into the interactions of αSyn fibrils with phospholipids have remained elusive. Here, we present six novel polymorphic atomic structures of αSyn fibrils aggregated in the presence of phospholipids. The structures reveal that phospholipids favor a novel protofilament fold, mediate an unusual arrangement of protofilaments, and fill the central cavities between the protofilaments. These findings provide a structural rationale for fibril-induced lipid extraction, a mechanism likely to be involved in the development of α-synucleinopathies.

Abstract The development of novel drugs for Alzheimer’s disease has proven difficult, with a high failure rate in clinical trials. Typically, transgenic mice displaying amyloid-β peptide brain pathology are used to develop therapeutic options and to test their efficacy in preclinical studies. However, the properties of Aβ in such mice have not been systematically compared to Aβ from the patient brains. Here, we determined the structures of nine ex vivo Aβ fibrils from six different mouse models by cryo-EM. We found novel Aβ fibril structures in the APP/PS1, ARTE10, and tg-SwDI models, whereas the human familial type II fibril fold was found in the ARTE10, tg-APP Swe , and APP23 models. The tg-APP ArcSwe mice showed an Aβ fibril whose structure resembles the human sporadic type I fibril. These structural elucidations are key to the selection of adequate mouse models for the development of novel plaque-targeting therapeutics and PET imaging tracers. One Sentence Summary Cryo-EM structures of Aβ fibrils extracted from brains of mouse models used for Alzheimer’s disease preclinical research are presented.