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.

Mitochondria play a pivotal part in ATP energy production through oxidative phosphorylation, which occurs within the inner membrane through a series of respiratory complexes

The rhizosphere is an important place for material exchange between medicinal plants and soil. Root exudates are the medium of material and signal exchange between plants and soil and are the key factors in the regulation of rhizosphere microecology. Rhizosphere microorganisms are an important part of the rhizosphere microecology of medicinal plants, and the interaction between root exudates and rhizosphere microorganisms has an important influence on the growth and quality formation of medicinal plants. Rational utilization of the interaction between root exudates and rhizosphere microorganisms of medicinal plants is one of the important ways to ensure the healthy growth of medicinal plants and promote the development of ecological planting of Chinese medicinal materials. In the paper, the research status of root exudates and rhizosphere microorganisms of medicinal plants in recent years was summarized. The interaction mechanism between root exudates and rhizosphere microorganisms of medicinal plants, as well as the influence of rhizosphere microorganisms on the growth of medicinal plants, were analyzed. In addition, the advantages and promoting effects of intercropping ecological planting mode on rhizosphere microecology of medicinal plants and quality improvement of Chinese medicinal materials were explained, providing a good basis for the study of the interaction among medicinal plants, microorganisms, and soil. Furthermore, it could produce important theoretical and practical significance for the ecological planting and sustainable utilization of medicinal plants.

Mitochondria play a pivotal role in ATP energy production through oxidative phosphorylation, which occurs within the inner membrane via a series of respiratory complexes. Despite extensive in-vitro structural studies, revealing the atomic details of their molecular mechanisms in physiological states remains a major challenge, primarily because of the loss of the native environment during purification. Here, we directly image porcine mitochondria using an in-situ cryo-electron microscopy approach. This enables us to determine the structures of various high-order assemblies of respiratory supercomplexes in their native states, achieving up to 1.8-Å local resolution. We identify four major supercomplex organizations: I1III2IV1, I1III2IV2, I2III2IV2, and I2III4IV2, which can potentially expand into higher-order arrays on the inner membranes. The formation of these diverse supercomplexes is largely contributed by ′protein-lipids-protein ′ interactions, which in turn dramatically impact the local geometry of the surrounding membranes. Our in-situ structures also capture numerous reactive intermediates within these respiratory supercomplexes, shedding light on the dynamic processes of the ubiquinone/ubiquinol exchange mechanism in complex I and the Q-cycle in complex III. By comparing supercomplex structures from mitochondria treated under distinct conditions, we elucidate how conformational changes and ligand binding states interplay between complexes I and III in response to environmental redox alterations. Our approach, by preserving the native membrane environment, enables structural studies of mitochondrial respiratory supercomplexes in reaction at high resolution across multiple scales, spanning from atomic-level details to the broader subcellular context.

ABSTRACT Thioamitides are a group of ribosomally synthesized and post-translational modified peptides with potent antiproliferative and pro-apoptotic activities. Their biosynthesis remains largely unknown, especially for the characteristic C-terminal 2- a mino vi nyl- Cys teine (AviCys) motifs. Herein, we report the discovery that homologs of class III lanthipeptide synthetases (LanKC t s)encoded outside putative thioamitide biosynthetic gene clusters (BGCs) fully dehydrate the precursor peptides. Remarkably, LanKC t enzymes bind tightly to cysteine decarboxylases encoded inside thioamitide BGCs, and the resulting complex complete the macrocyclization of AviCys rings. Furthermore, LanKC t enzymes are present in the genomes of many thioamitide-producing strains and are functional when in complex with cysteine decarboxylases to produce AviCys macrocycles. Thus, our study reveals the participation of lanthipeptide synthetases as a general strategy for dehydration and AviCys formation during thioamitides biosynthesis and thus paves the way for the bioengineering of this class of bioactive natural products.

Abstract Mycobacterium tuberculosis ( Mtb ), remaining as the leading cause of the worldwide threat Tuberculosis, relies heavily on its transcriptional reprogramming of diverse stress genes to swiftly adapt to adverse environments and ensure infections. The global virulence factor PhoP plays a pivotal role in coordinating transcription activation or repression of the essential phosphate-nitrogen metabolic remodeling genes. However, what defines PhoP to deferentially act as an activator or a repressor remains largely unexplored. Here, we determine one cryo-EM structure of Mtb RNAP-promoter open complex, three cryo-EM structures of PhoP-dependent transcription activation complexes (PhoP-TACs) consisting of Mtb RNA polymerase (RNAP), different number of PhoP molecules binding to different types of well-characterized consensus promoters, and one cryo-EM structure of Mtb PhoP-dependent transcription repression complex (PhoP-TRC) comprising of Mtb RNAP, PhoP, the nitrogen metabolism regulator GlnR and their co-regulated promoter. Structural comparisons reveal phosphorylation of PhoP is required for stabilization of PhoP-TACs, PhoP specifically recognizes promoters as novel tandem dimers and recruits RNAP through extensively interacting with its conserved β flap and σ A R4 domains. Strikingly, the distinct promoter spacer length and PhoP-GlnR interactions in PhoP-TRC constrain the upstream DNA into a distinct topology and retain PhoP in a novel ‘dragging repression mode’. Collectively, these data highlight the dual regulatory mechanisms of PhoP-dependent transcription regulation in governing stress adaptation. These findings provide structural basis for developing potential anti-tuberculosis drugs and/or interventions.