Electron cryomicroscopy structures are provided for all core and supernumerary protein subunits of mammalian complex I, a 45-subunit enzyme that powers eukaryotic respiration. The first enzyme of the mammalian mitochondrial electron transport chain, complex I (NADH:ubiquinone oxidoreductase), is one of the largest membrane-bound enzymes in the cell. Here, Judy Hirst and colleagues report the single-particle electron cryomicroscopy structure of all 45 subunits of the bovine respiratory complex I at 4.2 Å resolution. This represents the first structure of the entire mammalian complex I, which provides insight into the structural and functional roles of the 31 'supernumerary' subunits and reveals that there are several conformationally dynamic regions that may explain how ubiquinone reduction is coupled to proton translocation. Complex I (NADH:ubiquinone oxidoreductase), one of the largest membrane-bound enzymes in the cell, powers ATP synthesis in mammalian mitochondria by using the reducing potential of NADH to drive protons across the inner mitochondrial membrane. Mammalian complex I (ref. 1) contains 45 subunits, comprising 14 core subunits that house the catalytic machinery (and are conserved from bacteria to humans) and a mammalian-specific cohort of 31 supernumerary subunits1,2. Knowledge of the structures and functions of the supernumerary subunits is fragmentary. Here we describe a 4.2-Å resolution single-particle electron cryomicroscopy structure of complex I from Bos taurus. We have located and modelled all 45 subunits, including the 31 supernumerary subunits, to provide the entire structure of the mammalian complex. Computational sorting of the particles identified different structural classes, related by subtle domain movements, which reveal conformationally dynamic regions and match biochemical descriptions of the ‘active-to-de-active’ enzyme transition that occurs during hypoxia3,4. Our structures therefore provide a foundation for understanding complex I assembly5 and the effects of mutations that cause clinically relevant complex I dysfunctions6, give insights into the structural and functional roles of the supernumerary subunits and reveal new information on the mechanism and regulation of catalysis.

Complex I (NADH:ubiquinone oxidoreductase) is essential for oxidative phosphorylation in mammalian mitochondria. It couples electron transfer from NADH to ubiquinone with proton translocation across the energy-transducing inner membrane, providing electrons for respiration and driving ATP synthesis. Mammalian complex I contains 44 different nuclear- and mitochondrial-encoded subunits, with a combined mass of 1 MDa. The 14 conserved ‘core’ subunits have been structurally defined in the minimal, bacterial complex, but the structures and arrangement of the 30 ‘supernumerary’ subunits are unknown. Here we describe a 5 Å resolution structure of complex I from Bos taurus heart mitochondria, a close relative of the human enzyme, determined by single-particle electron cryo-microscopy. We present the structures of the mammalian core subunits that contain eight iron–sulphur clusters and 60 transmembrane helices, identify 18 supernumerary transmembrane helices, and assign and model 14 supernumerary subunits. Thus, we considerably advance knowledge of the structure of mammalian complex I and the architecture of its supernumerary ensemble around the core domains. Our structure provides insights into the roles of the supernumerary subunits in regulation, assembly and homeostasis, and a basis for understanding the effects of mutations that cause a diverse range of human diseases. Complex I is the first enzyme of the mitochondrial electron transport chain and it is essential for oxidative phosphorylation in mammalian mitochondria; here the electron cryo-microscopy structure of complex I from bovine heart mitochondria is reported, advancing knowledge of its structure in mammals. The first enzyme of the mitochondrial electron transport chain, complex I (NADH:ubiquinone oxidoreductase), couples electron transfer from NADH to ubiquinone with proton translocation across the inner mitochondrial membrane, leading to the synthesis of ATP. This manuscript reports the electron cryo-microscopy structure of complex I from bovine heart mitochondria at 5 Å resolution. The mammalian enzyme is much larger than the previously published structures of complex I from lower organisms. The authors assign the structures of 28 of the 44 subunits — the 14 conserved (core) subunits and 14 mammalian-specific subunits.

There has been enormous progress during the last few years in the determination of three-dimensional biological structures by single particle electron cryomicroscopy (cryoEM), allowing maps to be obtained with higher resolution and from fewer images than required previously. This is due principally to the introduction of a new type of direct electron detector that has 2- to 3-fold higher detective quantum efficiency than available previously, and to the improvement of the computational algorithms for image processing. In spite of the great strides that have been made, quantitative analysis shows that there are still significant gains to be made provided that the problems associated with image degradation can be solved, possibly by minimising beam-induced specimen movement and charge build up during imaging. If this can be achieved, it should be possible to obtain near atomic resolution structures of smaller single particles, using fewer images and resolving more conformational states than at present, thus realising the full potential of the method. The recent popularity of cryoEM for molecular structure determination also highlights the need for lower cost microscopes, so we encourage development of an inexpensive, 100 keV electron cryomicroscope with a high-brightness field emission gun to make the method accessible to individual groups or institutions that cannot afford the investment and running costs of a state-of-the-art 300 keV installation. A key requisite for successful high-resolution structure determination by cryoEM includes interpretation of images and optimising the biochemistry and grid preparation to obtain nicely distributed macromolecules of interest. We thus include in this review a gallery of cryoEM micrographs that shows illustrative examples of single particle images of large and small macromolecular complexes.

Abstract Pannexins are single-membrane large-pore ion channels that release ATP upon activation. Three isoforms of pannexins, 1, 2, and 3, perform diverse cellular roles, including inflammation, differentiation, neuropathic pain, and ATP release. In this study, we report the cryoEM structure of pannexin 3 at 3.9 Å and characterize the structural differences with pannexin isoforms 1 and 2. We observe the organization of the Pannexin 3 vestibule into two distinct chambers with a wider pore radius in comparison to both PANX1 and 2 isoforms. We further report the structure of pannexin1 congenital mutant R217H in the resolution range of 3.9 Å. The congenital mutant R217H in transmembrane helix3 (TM3), R217H induce structural changes that leads to a partially closed pore and altered ATP interaction propensities. The channel conductance of the congenital mutant displays weakened voltage sensitivity. The results showcase a complete comparison of the three pannexin isoform structures that along with the structure of Pannexin 1 congenital mutant highlight distinct structural features of pannexin isoforms and the allosteric role of distant substitutions in dictating channel behavior in Pannexin 1.

Abstract Paralogous variants of canonical histones guide accessibility to DNA and function as additional layers of genome regulation. Across eukaryotes, the occurrence, mechanism of action and functional significance of several variants of core histones are well known except that of histone H4. Here we show that a novel variant of H4 (H4.V), expressing tissue-specifically among members of Oryza genera, mediates specific epigenetic changes contributing majorly to salt tolerance. H4.V was incorporated to specific chromosomal locations where it blocked deposition of active histone marks. Under salt stress, large scale re-distribution of H4.V enabled incorporation of stress dependent histone H4 Lysine5 Acetylation (H4K5Ac) marks. Mis-expression of H4.V led to defects at morphological level especially in reproductive tissues, and in mounting stress responses. H4.V mediated these alterations by condensing chromatin at specific genomic regions as seen with cryo-EM structure of reconstituted H4.V containing nucleosomes. These results not only uncovered the presence of a H4 variant in plants, but also a novel chromatin regulation of stress responses that might have contributed to success of semi-aquatic Oryza members under variable water-limiting conditions. One-line summary Histone H4 variant predisposes chromatin for stress responses Abstract Figure

Cellular studies of filamentous actin (F-actin) processes commonly utilize fluorescent versions of toxins, peptides and proteins that bind actin. While the choice of these markers has been largely based on availability and ease, there is a severe dearth of structural data for an informed judgment in employing suitable F-actin markers for a particular requirement. Here we describe the electron cryomicroscopy structures of phalloidin, lifeAct and utrophin bound to F-actin, providing the first high-resolution structures and comparison of widely used actin markers and their influence towards F-actin. Our results show that phalloidin binding does not induce conformations and lifeAct specifically recognizes ADP-actin state, which can be used as a sensor for distinguishing different nucleotide states of F-actin. The utrophin structural model aided designing minimal utrophin, which can be utilized as F-actin marker. Together, our study provides a structural perspective, where the binding sites of utrophin and lifeAct overlap with majority of actin binding proteins. Further offering an invaluable resource for researchers in choosing appropriate actin markers and generating new marker variants.

Abstract The metabotropic glutamate receptors (mGlus) are class C G protein coupled receptors (GPCR) that form obligate dimers activated by the major excitatory neurotransmitter L-glutamate 1,2 . The architecture of mGlu receptor comprises an extracellular Venus-Fly Trap domain (VFT) connected to a transmembrane domain (7TM) through a Cysteine-Rich Domain (CRD). The binding of L-glutamate in the VFTs and subsequent conformational change results in the signal being transmitted to the 7TM inducing G-protein binding and activation 3–6 . The mGlu receptors signal transduction can be allosterically potentiated by positive allosteric modulators (PAMs) binding to the 7TMs, which are of therapeutic interest in various neurological disorders 7–9 . Here, we report the cryoEM structures of metabotropic glutamate receptor 5 (mGlu 5 ) purified with three chemically and pharmacologically distinct PAMs. We find that PAMs modulate the receptor equilibrium through their different binding modes, revealing how their interactions in the 7TMs impact the mGlu 5 receptor conformational landscape and function. In addition, we identified a PAM-free but agonist-bound intermediate state that is stabilised by interactions mediated by intracellular loop 2. The activation of mGlu 5 receptor is a multi-step sequential process in which the binding of the PAMs in the 7TM modulates the equilibrium towards the active state.

Abstract Methylation of specific nucleotides is integral for ribosomal biogenesis and serves as a common way to confer antibiotic resistance by pathogenic bacteria. Here, by determining the high-resolution structure of 30S-KsgA by cryo-EM, a state was captured, where KsgA juxtaposes between helices h44 and h45, separating them, thereby enabling remodeling of the surrounded rRNA and allowing the cognate site to enter the methylation pocket. With the structure as a guide, factors that direct the enzyme to its cognate site with high fidelity were unearthed by creating several mutant versions of the ribosomes, where interacting bases in the catalytic helix h45 and surrounding helices h44, h24, and h27 were mutated and evaluated for their methylation efficiency. The biochemical studies delineated specificity hotspots that enable KsgA to achieve an induced fit. This study enables the identification of distal exclusive allosteric pocket and other divergent structural elements in each rMTase, which can be exploited to develop strategies to reverse methylation, mediated drug resistance.

ABSTRACT Progenitors of the thoracic tracheal system of adult Drosophila (tracheoblasts) arrest in G2 during larval life and rekindle a mitotic program subsequently. G2 arrest is dependent on ATR-dependent phosphorylation of Chk1 that is actuated in the absence of detectable DNA damage. We are interested in the mechanisms that activate ATR/Chk1 (Kizhedathu et al., 2018, 2020). Here we report that levels of reactive oxygen species (ROS) are high in arrested tracheoblasts and decrease upon mitotic re-entry. High ROS is dependent on expression of Duox, an H 2 O 2 generating-Dual Oxidase. ROS quenching by overexpression of Superoxide Dismutase 1, or by knockdown of Duox, abolishes Chk1 phosphorylation and results in precocious proliferation. Tracheae deficient in Duox, or deficient in both Duox and regulators of DNA damage-dependent ATR/Chk1 activation (Claspin/ATRIP/TOPBP1), can induce phosphorylation of Chk1 in response to micromolar concentrations of H 2 O 2 in minutes. The findings presented reveal that H 2 O 2 activates ATR/Chk1 in tracheoblasts by a non-canonical, potentially direct, mechanism.

Abstract Cyclic-di-nucleotide based secondary messengers regulate various physiological processes including the stress responses in bacteria. In the past decade, cyclic diadenosine monophosphate (c-di-AMP) has emerged as a crucial second messenger, implicated in fatty acid metabolism, antibiotic resistance, biofilm formation, virulence, DNA repair, ion homeostasis, sporulation etc. The level of c-di-AMP is maintained in the cell by the action of two opposing enzymes, namely diadenylate cyclase (DAC) and phosphodiesterase (PDE). In mycobacteria, this molecule is essential for its regulatory role in bacterial physiology and host-pathogen interactions. However, such modulation of c-di-AMP remains to be explored in Mycobacterium smegmatis . Here, we systematically characterised the c-di-AMP synthase (MsDisA) and a hydrolase (MsPDE) from M. smegmatis at different pH and osmolytic conditions in vitro . Our biochemical assays show that the MsDisA activity is enhanced during the alkaline stress and c-di-AMP is readily produced without any intermediates. At pH 9.4, the MsDisA promoter activity in vivo increases significantly, strengthening this observation. However, under physiological conditions, the activity of MsDisA was moderate with the formation of intermediates. To get further insights into the structural characteristics, we determined the cryo-EM structure of the MsDisA, revealing some interesting features. Biochemical analysis of individual domains shows that the N-terminal minimal region alone can form a functional octamer. Altogether, our results reveal the biochemical and structural regulation of mycobacterial c-di-AMP in response to various environmental stress.