Summary

 Metabolic coordination between neurons and astrocytes is critical for the health of the brain. However, neuron-astrocyte coupling of lipid metabolism, particularly in response to neural activity, remains largely uncharacterized. Here, we demonstrate that toxic fatty acids (FAs) produced in hyperactive neurons are transferred to astrocytic lipid droplets by ApoE-positive lipid particles. Astrocytes consume the FAs stored in lipid droplets via mitochondrial β-oxidation in response to neuronal activity and turn on a detoxification gene expression program. Our findings reveal that FA metabolism is coupled in neurons and astrocytes to protect neurons from FA toxicity during periods of enhanced activity. This coordinated mechanism for metabolizing FAs could underlie both homeostasis and a variety of disease states of the brain.

Cryo-electron microscopy (cryo-EM) is rapidly emerging as a powerful tool for protein structure determination at high resolution. Here we report the structure of a complex between Escherichia coli β-galactosidase and the cell-permeant inhibitor phenylethyl β-D-thiogalactopyranoside (PETG), determined by cryo-EM at an average resolution of ~2.2 angstroms (Å). Besides the PETG ligand, we identified densities in the map for ~800 water molecules and for magnesium and sodium ions. Although it is likely that continued advances in detector technology may further enhance resolution, our findings demonstrate that preparation of specimens of adequate quality and intrinsic protein flexibility, rather than imaging or image-processing technologies, now represent the major bottlenecks to routinely achieving resolutions close to 2 Å using single-particle cryo-EM.

Significance Atomic resolution models for proteins and protein complexes are usually obtained using X-ray crystallography or NMR spectroscopy, and in selected instances, by cryo-electron microscopy (cryo-EM) of ordered protein assemblies. The vast majority of high-resolution structures obtained using cryo-EM have been typically restricted to large, well-ordered entities such as helical or icosahedral assemblies or two-dimensional crystals. We show here that emerging methods in single-particle cryo-EM now allow structure determination at near-atomic resolution, even for much smaller protein complexes with low symmetry, by determining the structure of the 465-kDa enzyme β-galactosidase. In addition, by quantitative comparison of density maps obtained at different electron dosages, we demonstrate preferential sensitivity of residues such as Asp and Glu to damage upon irradiation with electrons.

Abstract Approximately one-third of global CO 2 fixation occurs in a phase separated algal organelle called the pyrenoid. Existing data suggest that the pyrenoid forms by the phase-separation of the CO 2 -fixing enzyme Rubisco with a linker protein; however, the molecular interactions underlying this phase-separation remain unknown. Here we present the structural basis of the interactions between Rubisco and its intrinsically disordered linker protein EPYC1 (Essential Pyrenoid Component 1) in the model alga Chlamydomonas reinhardtii . We find that EPYC1 consists of five evenly-spaced Rubisco-binding regions that share sequence similarity. Single-particle cryo-electron microscopy of one of these regions in complex with Rubisco indicates that each Rubisco holoenzyme has eight binding sites for EPYC1, one on each Rubisco small subunit. Interface mutations disrupt binding, phase separation, and pyrenoid formation. Cryo-electron tomography supports a model where EPYC1 and Rubisco form a co-dependent multivalent network of specific low-affinity bonds, giving the matrix liquid-like properties. Our results advance the structural and functional understanding of the phase separation underlying the pyrenoid, an organelle that plays a fundamental role in the global carbon cycle.

Abstract Human excitatory amino acid transporter 3 (hEAAT3) mediates glutamate uptake in neurons, intestine, and kidney. Here, we report Cryo-EM structures of hEAAT3 in several functional states where the transporter is empty, bound to coupled sodium ions only, or fully loaded with three sodium ions, a proton, and the substrate aspartate. The structures suggest that hEAAT3 operates by an elevator mechanism involving three functionally independent subunits. When the substrate-binding site is near the cytoplasm, it has a remarkably low affinity for the substrate, perhaps facilitating its release and allowing for the rapid transport turnover. The mechanism of the coupled uptake of the sodium ions and the substrate is conserved across evolutionarily distant families and is augmented by coupling to protons in EAATs. The structures further suggest a mechanism by which conserved glutamate mediates proton symport.

The severe acute respiratory syndrome associated coronavirus 2 (SARS-CoV-2) and SARS-CoV-1 accessory protein Orf3a colocalizes with markers of the plasma membrane, endocytic pathway, and Golgi apparatus. Some reports have led to annotation of both Orf3a proteins as a viroporin. Here we show that neither SARS-CoV-2 nor SARS-CoV-1 form functional ion conducting pores and that the conductances measured are common contaminants in overexpression and with high levels of protein in reconstitution studies. Cryo-EM structures of both SARS-CoV-2 and SARS-CoV-1 Orf3a display a narrow constriction and the presence of a basic aqueous vestibule, which would not favor cation permeation. We observe enrichment of the late endosomal marker Rab7 upon SARS-CoV-2 Orf3a overexpression, and co-immunoprecipitation with VPS39. Interestingly, SARS-CoV-1 Orf3a does not cause the same cellular phenotype as SARS-CoV-2 Orf3a and does not interact with VPS39. To explain this difference, we find that a divergent, unstructured loop of SARS-CoV-2 Orf3a facilitates its binding with VPS39, a HOPS complex tethering protein involved in late endosome and autophagosome fusion with lysosomes. We suggest that the added loop enhances SARS-CoV-2 Orf3a ability to co-opt host cellular trafficking mechanisms for viral exit or host immune evasion.

Abstract Mfsd2a is the primary transporter for the docosahexaenoic acid (DHA), an omega-3 fatty acid, across the blood brain barrier (BBB). Defects in Mfsd2a are linked to ailments from behavioral, learning, and motor dysfunctions to severe microcephaly. Mfsd2a typically transports long-chain unsaturated fatty-acids, including DHA and α-Linolenic acid (ALA), that are attached to the zwitterionic lysophosphatidylcholine (LPC) headgroup. Even with two recently determined structures of Mfsd2a the molecular details of how this transporter performs the energetically unfavorable task of translocating and flipping lysolipids across the lipid bilayer remained unclear. Here, we report five single-particle cryo-EM structures of the Danio rerio Mfsd2a (drMfsd2a): in the inward-open conformation in the ligand-free state and bound to ALA-LPC at four unique positions along the substrate translocation pathway. These Mfsd2a snapshots detail the Na + -dependent flipping mechanism of the lipid-LPC from outer to inner membrane leaflet during ligand translocation through the Mfsd2a substrate tunnel and release for membrane integration on the cytoplasmic side. These results also map Mfsd2a mutants that disrupt lipid-LPC transport and are associated with known disease. Together these results provide a model for omega-3 fatty-acid transport and has the potential for the design of the delivery strategies for amphipathic drugs across the BBB.

Summary The androgen receptor (AR) is a steroid receptor and master transcription factor that governs gene expression programs required for luminal development of prostate epithelium, formation of muscle tissue and maintenance of the male phenotype. AR misregulation is a hallmark of multiple malignancies, including prostate cancer, where AR hyperactivation and expansion of its transcriptome occur in part through AR gene amplification and interaction with oncoprotein cofactors. Despite its biological importance, how AR’s individual domains and its protein cofactors cooperate to bind DNA have remained elusive. Using a combination of reconstitution biochemistry and single particle cryo-electron microscopy (EM), we have isolated three conformational states of AR bound to DNA. We observe that AR forms a non-obligate dimer, with the buried dimer interface utilized by related ancestral nuclear receptors repurposed to facilitate cooperative DNA binding. We identify surfaces bridging AR’s domains responsible for allosteric communication, that are compromised in partial androgen insensitivity syndrome (PAIS), and are reinforced by AR’s oncoprotein cofactor, ERG, and DNA binding site motifs. Finally, we present evidence that this plastic dimer interface for transcriptional activation may have been adopted by AR at the expense of DNA binding. Our work highlights how fine-tuning of AR’s cooperative interactions translate to consequences in development and disease.

The HIV-1 entry inhibitor temsavir prevents CD4 from interacting with the envelope glycoprotein (Env) and blocks its conformational changes. To do this temsavir relies on the presence of a residue with small side chain at position 375 in Env and is unable to neutralize viral strains like CRF01_AE carrying His375. Here we investigate the mechanism of temsavir-resistance and show that residue 375 is not the sole determinant of resistance. At least six additional residues within the gp120 inner domain layers, including five distant from the drug-binding pocket, contribute to resistance. A detailed structure-function analysis using engineered viruses and soluble trimer variants reveal that the molecular basis of resistance is mediated by crosstalk between His375 and the inner domain layers. Furthermore, our data confirm that temsavir can adjust its binding mode to accommodate changes in Env conformation, a property that likely contributes to its broad-antiviral activity.

Abstract Membrane protein structure determination is not only technically challenging but is further complicated by the removal or displacement of lipids, which can result in non-native conformations or a strong preference for certain states at the exclusion of others. This is especially applicable to mechanosensitive channels (MSC’s) that evolved to gate in response to subtle changes in membrane tension transmitted through the lipid bilayer. E. coli MscS, a model bacterial system, is an ancestral member of the large family of MSCs found across all phyla of walled organisms. As a tension sensor, MscS is very sensitive and highly adaptive; it readily opens under super-threshold tension and closes under no tension, but under lower tensions, it slowly inactivates and can only recover when tension is released. However, existing cryo-EM structures do not explain the entire functional gating cycle of open, closed, and inactivated states. A central question in the field has been the assignment of the frequently observed non-conductive conformation to either a closed or inactivated state. Here, we present a 3 Å MscS structure in native nanodiscs obtained with Glyco-DIBMA polymer extraction, eliminating the lipid removal step that is common to all previous structures. Besides the protein in the non-conductive conformation, we observe well-resolved densities of four endogenous phospholipid molecules intercalating between the lipid-facing and pore-lining helices in preferred orientations. Mutations of positively charged residues coordinating these lipids inhibit MscS inactivation, whereas removal of a negative charge near the lipid-filled crevice increases inactivation. The functional data allows us to assign this class of structures to the inactivated state. This structure reveals preserved lipids in their native locations, and the functional effects of their destabilization illustrate a novel inactivation mechanism based on an uncoupling of the peripheral tension-sensing helices from the gate.