The structure of the HIV-1 capsid is analysed by cryo-electron microscopy and cryo-electron tomography, allowing presentation of an all-atom molecular dynamics model of the entire capsid. Human immunodeficiency virus-1 (HIV-1), the predominant AIDS virus, contains a spheroidal capsid enclosing the viral RNA genome. As the retrovirus matures, the capsid forms through spontaneous oligomerization of the capsid protein CA. Using cryo-electron microscopy and cryo-electron tomography, combined with all-atom large-scale molecular dynamics simulations, Gongpu Zhao et al. have determined a complete atomic structure of the HIV-1 capsid. The resulting structural models reveal elements that are essential for capsid formation, stability and viral infectivity. Of special interest are the hydrophobic interactions evident in a novel three-fold interface between the carboxy-terminal domains of CA protein, a feature that appears to be unique to the mature capsid and which has previously been suggested as a potentially attractive therapeutic target. Retroviral capsid proteins are conserved structurally but assemble into different morphologies1. The mature human immunodeficiency virus-1 (HIV-1) capsid is best described by a ‘fullerene cone’ model2,3, in which hexamers of the capsid protein are linked to form a hexagonal surface lattice that is closed by incorporating 12 capsid-protein pentamers. HIV-1 capsid protein contains an amino-terminal domain (NTD) comprising seven α-helices and a β-hairpin4,5, a carboxy-terminal domain (CTD) comprising four α-helices6,7, and a flexible linker with a 310-helix connecting the two structural domains8. Structures of the capsid-protein assembly units have been determined by X-ray crystallography9,10; however, structural information regarding the assembled capsid and the contacts between the assembly units is incomplete. Here we report the cryo-electron microscopy structure of a tubular HIV-1 capsid-protein assembly at 8 Å resolution and the three-dimensional structure of a native HIV-1 core by cryo-electron tomography. The structure of the tubular assembly shows, at the three-fold interface11, a three-helix bundle with critical hydrophobic interactions. Mutagenesis studies confirm that hydrophobic residues in the centre of the three-helix bundle are crucial for capsid assembly and stability, and for viral infectivity. The cryo-electron-microscopy structures enable modelling by large-scale molecular dynamics simulation, resulting in all-atom models for the hexamer-of-hexamer and pentamer-of-hexamer elements as well as for the entire capsid. Incorporation of pentamers results in closer trimer contacts and induces acute surface curvature. The complete atomic HIV-1 capsid model provides a platform for further studies of capsid function and for targeted pharmacological intervention.

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 Gag is the major HIV-1 structural polyprotein precursor. The Gag SP1 domain with the last residues of CA have been hypothesized to form a six-helix bundle necessary for particle assembly, but this bundle has not been fully resolved. Here, we determined the structures of complete CA-SP1 six-helix bundle connecting to the NC domain, from both in vitro Gag assemblies and viral-like particles (VLPs) carrying a T8I mutation in SP1, to near-atomic resolutions using cryoET and subtomogram averaging. The structures revealed novel densities, however distinct from IP6, inside the six-helix bundle of Gag assemblies, stabilizing the immature lattice. Interestingly, the T8I mutation impaired proteolytic cleavage of Gag at both SP1 boundaries. Our findings signify the involvement of small molecules in immature Gag assembly and provide the structural basis for development of small molecule inhibitors that stabilize SP1 helix, thus interfere with PR-mediated virus maturation.

Abstract The advancement of serial cryo-FIB/SEM offers a new opportunity to study large volumes of near-native, fully hydrated frozen cells and tissues at voxel sizes of 10 nm and below. We explored this capability for pathologic characterization of vitrified human patient cells. We demonstrate profound disruption of subcellular architecture in primary fibroblasts from a Leigh syndrome patient harboring a disease-causing mutation in USMG5 protein responsible for impaired mitochondrial energy production.

ABSTRACT Glutamatergic synapses are the primary site of excitatory synaptic signaling and neural communication in the cerebral cortex. Electron microscopy (EM) studies in non-human model organisms have demonstrated that glutamate synaptic activity and functioning are directly reflected in quantifiable ultrastructural features. Thus, quantitative EM analysis of glutamate synapses in ex vivo preserved human brain tissue has the potential to provide novel insight into in vivo synaptic functioning. However, factors associated with the acquisition and preservation of human brain tissue have resulted in persistent concerns regarding the potential confounding effects of antemortem and postmortem biological processes on synaptic and sub-synaptic ultrastructural features. Thus, we sought to determine how well glutamate synaptic relationships and nanoarchitecture are preserved in postmortem human dorsolateral prefrontal cortex (DLPFC), a region that substantially differs in size and architecture from model systems. Focused ion beam-scanning electron microscopy (FIB-SEM), a powerful volume EM (VEM) approach, was employed to generate high-fidelity, fine-resolution, three-dimensional (3D) micrographic datasets appropriate for quantitative analyses. Using postmortem human DLPFC with a 6-hour postmortem interval, we optimized a tissue preservation and staining workflow that generated samples of excellent ultrastructural preservation and the high-contrast staining intensity required for FIB-SEM imaging. Quantitative analysis of sub-cellular, sub-synaptic and organelle components within glutamate axo-spinous synapses revealed that ultrastructural features of synaptic function and activity were well-preserved within and across individual synapses in postmortem human brain tissue. The synaptic, sub-synaptic and organelle measures were highly consistent with findings from experimental models that are free from antemortem or postmortem effects. Further, dense reconstruction of neuropil revealed a unique, ultrastructurally-complex, spiny dendritic shaft that exhibited features characteristic of neuronal processes with heightened synaptic communication, integration and plasticity. Altogether, our findings provide a critical proof-of-concept that ex vivo VEM analysis provides a valuable and informative means to infer in vivo functioning of human brain.

Summary Human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) capsid binds host proteins during infection, including cleavage and polyadenylation specificity factor 6 (CPSF6) and cyclophilin A (CypA). We observe that HIV-1 infection induces higher-order CPSF6 formation and capsid-CPSF6 complexes co-traffic on microtubules. CPSF6-capsid complex trafficking is impacted by capsid alterations that reduce CPSF6 binding or by excess cytoplasmic CPSF6 expression, both of which are associated with decreased HIV-1 infection. Higher-order CPSF6 complexes bind and disrupt HIV-1 capsid assemblies in vitro . Disruption of HIV-1 capsid binding to CypA leads to increased CPSF6 binding and altered capsid trafficking, resulting in reduced infectivity. Our data reveal an interplay between CPSF6 and CypA that is important for cytoplasmic capsid trafficking and HIV-1 infection. We propose that CypA prevents HIV-1 capsid from prematurely engaging cytoplasmic CPSF6 and that differences in CypA cellular localization and innate immunity may explain cell-specific variations in HIV-1 capsid trafficking and uncoating. Graphical Abstract

Abstract Cryo-electron microscopy (cryo-EM) enables the study of protein complexes, cytoskeletal elements, and organelles in three dimensions without the use of chemical fixation. Most cryo-EM studies focus on vitreously frozen individual cells separated from their native tissue contexts. This reliance on imaging of single cells is primarily due to technical challenges associated with preparing fresh tissue sections at a thinness sufficient for visualization via cryo-EM. Highly heterogenous and specialized tissues, such as brain, are especially affected by this limitation as the cellular, subcellular, and synaptic milieus can significantly vary across neuroanatomical locations. To address this limitation, we established new instrumentation and a workflow that consists of: 1) high-pressure freezing of fresh brain tissue; 2) tissue trimming followed by cryo-focused ion beam milling via the H-bar approach to generate ultrathin lamellae; and 3) cryo-EM imaging. Here, we apply this workflow to visualize the fine ultrastructural details of organelles, as well as cytoskeletal and synaptic elements that comprise the cortical neuropil within fresh, unfixed mouse brain tissue. Moreover, we present initial studies that apply principles of the above workflow to the analysis of postmortem human brain tissue. Overall, our work integrates the strengths of cryo-electron microscopy and tissue-based approaches to produce a generalizable workflow capable of visualizing subcellular structures within complex tissue environments.