During translation, transfer RNAs enter the ribosome and then move sequentially through three sites, known as A, P and E, as they transfer their attached amino acids onto the growing peptide chain. How the ribosome facilitates tRNA translocation between the sites remains largely unknown. Christian Spahn and colleagues have used multiparticle cryoelectron microscopy of a ribosome bound to the translation elongation factor, EF-G, to get information about tRNA movement. They identify two new sub-states and conclude that, following spontaneous inter-subunit ratcheting, translocation is the direct result of head swivelling and unratcheting of the 30S ribosomal subunit. During translation, tRNAs enter the ribosome and then move sequentially through three sites, known as A, P and E, as they transfer their attached amino acids onto the growing peptide chain. How the ribosome facilitates tRNA translocation between the sites remains largely unknown. Now a study uses multiparticle cryoelectron microscopy of a ribosome bound to the translation elongation factor, EF-G, to get information about tRNA movement. It identifies two new substates and sees that translocation is linked to unratcheting of the 30S ribosomal subunit. The elongation cycle of protein synthesis involves the delivery of aminoacyl-transfer RNAs to the aminoacyl-tRNA-binding site (A site) of the ribosome, followed by peptide-bond formation and translocation of the tRNAs through the ribosome to reopen the A site1,2. The translocation reaction is catalysed by elongation factor G (EF-G) in a GTP-dependent manner3. Despite the availability of structures of various EF-G–ribosome complexes, the precise mechanism by which tRNAs move through the ribosome still remains unclear. Here we use multiparticle cryoelectron microscopy analysis to resolve two previously unseen subpopulations within Thermus thermophilus EF-G–ribosome complexes at subnanometre resolution, one of them with a partly translocated tRNA. Comparison of these substates reveals that translocation of tRNA on the 30S subunit parallels the swivelling of the 30S head and is coupled to unratcheting of the 30S body. Because the tRNA maintains contact with the peptidyl-tRNA-binding site (P site) on the 30S head and simultaneously establishes interaction with the exit site (E site) on the 30S platform, a novel intra-subunit 'pe/E' hybrid state is formed. This state is stabilized by domain IV of EF-G, which interacts with the swivelled 30S-head conformation. These findings provide direct structural and mechanistic insight into the 'missing link' in terms of tRNA intermediates involved in the universally conserved translocation process.

Abstract Translation modulates the timing and amplification of gene expression after transcription. Brain development requires uniquely complex gene expression patterns, but large-scale measurements of translation directly in the prenatal brain are lacking. We measure the reactants, synthesis, and products of translation spanning mouse neocortex neurogenesis, and discover a transient window of dynamic regulation at mid-gestation. Timed translation upregulation of chromatin binding proteins like Satb2, which is essential for neuronal subtype differentiation, restricts protein expression in neuronal lineages despite broad transcriptional priming in progenitors. In contrast, translation downregulation of ribosomal proteins sharply decreases ribosome number, coinciding with a major shift in protein synthesis dynamics at mid-gestation. Changing levels of eIF4EBP1, a direct inhibitor of ribosomal protein translation, are concurrent with ribosome downregulation and controls Satb2 fate acquisition during neuronal differentiation. Thus, the refinement of transcriptional programs by translation is central to the molecular logic of brain development. Modeling of the developmental neocortex translatome is provided as an open-source searchable resource: https://shiny.mdc-berlin.de/cortexomics/ .

SUMMARY The melanocortin-4 receptor (MC4R), a hypothalamic master regulator of energy homeostasis and appetite, is a G-protein coupled receptor and a prime target for the treatment of obesity. Here, we present cryo-electron microscopy structures of MC4R− Gs-protein complexes with two recently FDA-approved drugs, the peptide agonists NDP-α-MSH and setmelanotide, with 2.9 Å and 2.6 Å resolution. Together with signaling data, the complex structures reveal the agonist-induced origin of transmembrane helix (TM) 6 regulated receptor activation. In both structures, different ligand binding modes of NDP-α-MSH, a high-affinity variant of the endogenous agonist, and setmelanotide, an anti-obesity drug with biased signaling, underline the key role of TM3 for ligand-specific interactions and of calcium ion as a ligand-adaptable cofactor. The agonist-TM3 interplay subsequently impacts the receptor− Gs-protein interfaces, mainly at intracellular loop 2. These structures reveal mechanistic details of MC4R activation or inhibition and provide important insights into receptor selectivity that will facilitate the development of tailored anti-obesity drugs.

Abstract The quest to model and modulate embryonic development became a recent cornerstone of stem cell and developmental biology. Mammalian developmental timing is adjustable in vivo by preserving preimplantation embryos in a dormant state called diapause. Inhibition of the growth regulator mTOR (mTORi) pauses mouse development in vitro, yet constraints to pause duration are unrecognized. By comparing the response of embryonic and extraembryonic stem cells to mTORi-induced pausing, we identified lipid usage as a bottleneck to developmental pausing. Enhancing fatty acid oxidation (FAO) boosts embryo longevity, while blocking it reduces the pausing capacity. Genomic and metabolic analyses of single embryos point toward a deeper dormant state in FAO-enhanced pausing and reveal a link between lipid metabolism and embryo morphology. Our results lift a constraint on in vitro embryo survival and suggest that lipid metabolism may be a critical metabolic transition relevant for longevity and stem cell function across tissues. One-Sentence Summary Facilitating fatty acid oxidation by carnitine supplementation enhances mTOR inhibition-mediated developmental pausing.

Abstract Biomolecular condensation of the neuronal microtubule-associated protein Tau (MAPT) can be induced by coacervation with polyanions like RNA, or by molecular crowding. Tau condensates have been linked to both functional microtubule binding and pathological aggregation in neurodegenerative diseases. We find that molecular crowding and coacervation with RNA, likely coexisting in the cytosol, synergize to enable Tau condensation at physiological buffer conditions and produce condensates with a strong affinity to charged surfaces. During condensate-mediated microtubule polymerization, this synergy enhances bundling and spatially arranges microtubules. We further show that different Tau condensates efficiently induce pathological Tau in cells, including small accumulations at the nuclear envelope that correlate with nucleocytoplasmic transport deficits. Fluorescent lifetime imaging reveals different molecular packing densities of Tau in cellular accumulations, and a condensate-like density for nuclear envelope Tau. These findings suggest that a complex interplay between interaction partners, post-translational modifications, and molecular crowding regulates the formation and function of Tau condensates. Conditions leading to prolonged existence of Tau condensates may induce the formation of seeding-competent Tau and lead to distinct cellular Tau accumulations.

Abstract Ribosome biogenesis is a fundamental multi-step cellular process in all domains of life that involves the production, processing, folding, and modification of ribosomal RNAs (rRNAs) and ribosomal proteins. To obtain insights into the still unexplored early assembly phase of the bacterial 50S subunit, we exploited a minimal in vitro reconstitution system using purified ribosomal components and scalable reaction conditions. Time-limited assembly assays combined with cryo-EM analysis visualizes the structurally complex assembly pathway starting with a particle consisting of ordered density for only ∼500 nucleotides of 23S rRNA domain I and three ribosomal proteins. In addition, our structural analysis reveals that early 50S assembly occurs in a domain-wise fashion, while late 50S assembly proceeds incrementally. Furthermore, we find that both ribosomal proteins and folded rRNA helices, occupying surface exposed regions on pre-50S particles, induce, or stabilize rRNA folds within adjacent regions, thereby creating cooperativity.

Abstract The SARS-CoV2 Omicron variant sub-lineages spread rapidly through the world, mostly due to their immune-evasive properties. This has put a significant part of the population at risk for severe disease and underscores the need for anti-SARS-CoV-2 agents that are effective against emergent strains in vulnerable patients. Camelid nanobodies are attractive therapeutic candidates due to their high stability, ease of large-scale production and potential for delivery via inhalation. Here, we characterize the RBD-specific nanobody W25, which we previously isolated from an alpaca, and show superior neutralization activity towards Omicron lineage BA.1 in comparison to all other SARS-CoV2 variants. Structure analysis of W25 in complex with the SARS-CoV2 spike surface glycoprotein shows that W25 engages an RBD epitope not covered by any of the antibodies previously approved for emergency use. Furthermore, we show that W25 also binds the spike protein from the emerging, more infectious Omicron BA.2 lineage with picomolar affinity. In vivo evaluation of W25 prophylactic and therapeutic treatments across multiple SARS-CoV-2 variant infection models, together with W25 biodistribution analysis in mice, demonstrates favorable pre-clinical properties. Together, these data endorse prioritization of W25 for further clinical development.

Abstract Viruses have evolved means to manipulate the host’s ubiquitin-proteasome system, in order to down-regulate antiviral host factors. The Vpx/Vpr family of lentiviral accessory proteins usurp the substrate receptor DCAF1 of host Cullin4-RING ligases (CRL4), a family of modular ubiquitin ligases involved in DNA replication, DNA repair and cell cycle regulation. CRL4 DCAF1 specificity modulation by Vpx and Vpr from certain simian immunodeficiency viruses (SIV) leads to recruitment, poly-ubiquitylation and subsequent proteasomal degradation of the host restriction factor SAMHD1, resulting in enhanced virus replication in differentiated cells. To unravel the mechanism of SIV Vpr-induced SAMHD1 ubiquitylation, we conducted integrative biochemical and structural analyses of the Vpr protein from SIVs infecting Cercopithecus cephus (SIV mus ). X-ray crystallography reveals commonalities between SIV mus Vpr and other members of the Vpx/Vpr family with regard to DCAF1 interaction, while cryo-electron microscopy and cross-linking mass spectrometry highlight a divergent molecular mechanism of SAMHD1 recruitment. In addition, these studies demonstrate how SIV mus Vpr exploits the dynamic architecture of the multi-subunit CRL4 DCAF1 assembly to optimise SAMHD1 ubiquitylation. Together, the present work provides detailed molecular insight into variability and species-specificity of the evolutionary arms race between host SAMHD1 restriction and lentiviral counteraction through Vpx/Vpr proteins. Author summary Due to the limited size of virus genomes, virus replication critically relies on host cell components. In addition to the host cell’s energy metabolism and its DNA replication and protein synthesis apparatus, the protein degradation machinery is an attractive target for viral re-appropriation. Certain viral factors divert the specificity of host ubiquitin ligases to antiviral host factors, in order to mark them for destruction by the proteasome, to lift intracellular barriers to virus replication. Here, we present molecular details of how the simian immunodeficiency virus accessory protein Vpr interacts with a substrate receptor of host Cullin4-RING ubiquitin ligases, and how this interaction redirects the specificity of Cullin4-RING to the antiviral host factor SAMHD1. The studies uncover the mechanism of Vpr-induced SAMHD1 recruitment and subsequent ubiquitylation. Moreover, by comparison to related accessory proteins from other immunodeficiency virus species, we illustrate the surprising variability in the molecular strategies of SAMHD1 counteraction, which these viruses adopted during evolutionary adaptation to their hosts. Lastly, our work also provides deeper insight into the inner workings of the host’s Cullin4-RING ubiquitylation machinery.

Abstract Human cytomegalovirus (CMV) is a highly relevant and ubiquitously distributed human pathogen. Its rodent counterparts such as mouse and rat CMV serve as common infection models. Here, we conducted the first global proteome profiling of rat CMV-infected cells and uncovered a pronounced loss of the transcription factor STAT2, which is crucial for interferon signalling. Deletion mutagenesis documented that STAT2 is targeted by the viral protein E27. Cellular and in vitro analyses showed that E27 exploits host-derived Cullin4-RING ubiquitin ligases (CRL4) to induce poly-ubiquitylation and proteasomal degradation of STAT2. A cryo-electron microscopic structure determination revealed how E27 mimics molecular surface properties of cellular CRL4 substrate receptors called DDB1- and Cullin4-associated factors (DCAFs) to displace them from the catalytic core of CRL4. Moreover, structural analyses elucidated the mechanism of STAT2 recruitment and indicate that E27-binding additionally disturbs STAT2-dependent interferon signalling by occupying its IRF9 binding interface. For the first time, these data provide structural insights into cytomegalovirus-encoded interferon antagonism and establish an atomic model for STAT2 counteraction by CRL4 misappropriation with important implications for viral immune evasion.

Protein synthesis must be finely tuned in the nervous system, as it represents an essential feature of neurodevelopmental gene expression, and dominant pathology in neurological disease. However, the architecture of ribosomal complexes in the developing mammalian brain has not been analyzed at high resolution. This study investigates the architecture of ribosomes ex vivo from the embryonic and perinatal mouse neocortex, revealing Ebp1 as a 60S peptide tunnel exit binding factor at near-atomic resolution by multiparticle cryo-electron microscopy. The impact of Ebp1 on the neuronal proteome was analyzed by pSILAC and BONCAT coupled mass spectrometry, implicating Ebp1 in neurite outgrowth proteostasis, with in vivo embryonic Ebp1 knockdown resulting in dysregulation of neurite outgrowth. Our findings reveal Ebp1 as a central component of neocortical protein synthesis, and the 60S peptide tunnel exit as a focal point of gene expression control in the molecular specification of neuronal morphology.