Wrapped DNA TAL effectors are proteins that bacterial pathogens inject into plant cells that bind to host DNA to activate expression of plant genes. The DNA-binding domain of TAL proteins is composed of tandem repeats within which a repeat-variable diresidue sequence confers nucleotide specificity. Deng et al. (p. 720 , published online 5 January) report the structure of the TAL effector dHax3, containing 11.5 repeats, in DNA-free and DNA-bound states, and Mak et al. (p. 716 , published online 5 January) report the structure of the PthXo1 TAL effector, containing 22 repeats, bound to its DNA target. Together, the structures reveal the conformational changes involved in DNA binding and provide the structural basis of DNA recognition.

The crystal structure of NavRh, a NaChBac orthologue from the marine Rickettsiales sp. HIMB114, defines an ion binding site within the selectivity filter, and reveals several conformational rearrangements that may underlie the electromechanical coupling mechanism. There are many published structures for potassium channels, but structural information on voltage-gated sodium (Nav) channels is much more scare, despite their importance in the initiation and propagation of action potentials in nerve cells, muscle cells and in the heart. Bacterial Nav channels provide a good model system for structure–function analyses, and here two groups report the X-ray crystal structure of bacterial Nav channels apparently in 'inactivated' conformations. Nieng Yan and colleagues determined the structure of NavRh from the marine bacterium known as alpha proteobacterium HIMB114 at 3.05-ångström resolution. William Catterall and colleagues report crystallographic snapshots of the NavAb channel from Arcobacter butzleri in two potentially inactivated states at 3.2-ångström resolution. Comparisons of these newly obtained structures with previously published data on NavAb in a 'pre-open' state reveal conformational rearrangements that may underlie the electromechanical coupling mechanism of these channels. This work is relevant to channelopathies and more widely to the design of neuroactive drugs. Voltage-gated sodium (Nav) channels are essential for the rapid depolarization of nerve and muscle1, and are important drug targets2. Determination of the structures of Nav channels will shed light on ion channel mechanisms and facilitate potential clinical applications. A family of bacterial Nav channels, exemplified by the Na+-selective channel of bacteria (NaChBac)3, provides a useful model system for structure–function analysis. Here we report the crystal structure of NavRh, a NaChBac orthologue from the marine alphaproteobacterium HIMB114 (Rickettsiales sp. HIMB114; denoted Rh), at 3.05 Å resolution. The channel comprises an asymmetric tetramer. The carbonyl oxygen atoms of Thr 178 and Leu 179 constitute an inner site within the selectivity filter where a hydrated Ca2+ resides in the crystal structure. The outer mouth of the Na+ selectivity filter, defined by Ser 181 and Glu 183, is closed, as is the activation gate at the intracellular side of the pore. The voltage sensors adopt a depolarized conformation in which all the gating charges are exposed to the extracellular environment. We propose that NavRh is in an ‘inactivated’ conformation. Comparison of NavRh with NavAb4 reveals considerable conformational rearrangements that may underlie the electromechanical coupling mechanism of voltage-gated channels.

The ryanodine receptors (RyRs) are high-conductance intracellular Ca2+ channels that play a pivotal role in the excitation–contraction coupling of skeletal and cardiac muscles. RyRs are the largest known ion channels, with a homotetrameric organization and approximately 5,000 residues in each protomer. Here we report the structure of the rabbit RyR1 in complex with its modulator FKBP12 at an overall resolution of 3.8 Å, determined by single-particle electron cryomicroscopy. Three previously uncharacterized domains, named central, handle and helical domains, display the armadillo repeat fold. These domains, together with the amino-terminal domain, constitute a network of superhelical scaffold for binding and propagation of conformational changes. The channel domain exhibits the voltage-gated ion channel superfamily fold with distinct features. A negative-charge-enriched hairpin loop connecting S5 and the pore helix is positioned above the entrance to the selectivity-filter vestibule. The four elongated S6 segments form a right-handed helical bundle that closes the pore at the cytoplasmic border of the membrane. Allosteric regulation of the pore by the cytoplasmic domains is mediated through extensive interactions between the central domains and the channel domain. These structural features explain high ion conductance by RyRs and the long-range allosteric regulation of channel activities. Using electron cryomicroscopy, the structure of the closed-state rabbit ryanodine receptor RyR1 in complex with its modulator FKBP12 is solved at 3.8 Å; in addition to determining structural details of the ion-conducting channel domain, three previously uncharacterized domains help to reveal a molecular scaffold that allows long-range allosteric regulation of channel activities. Muscle contraction is regulated by the concentration of calcium ions in the cytoplasm of muscle cells. Ryanodine receptors (RyR) release Ca2+ from the sarcoplasmic reticulum to induce muscle contraction. Dysfunction of these channels contributes to the pathophysiology of important human diseases including muscular dystrophy. Three papers in this issue of Nature report high-resolution electron cryomicroscopy structures of the 2.2 MDa ryanodine receptor RyR1. Efremov et al. report the structure of rabbit RyR1 at 8.5 Å resolution the presence of Ca2+ in a 'partly open' state, and at 6.1 Å resolution in the absence of Ca2+ in a closed state. Zalk et al. report the rabbit RyR1 structure at 4.8 Å in the absence of Ca2+ in a closed state. And third, Yan et al. report the structure of rabbit RyR1 bound to its modulator FKBP12 at a near-atomic resolution of 3.8 Å. These papers reveal how calcium binding to the EF-hand domain of RyR1 regulates channel opening and facilitates calcium-induced calcium release. The authors also note that disease-causing mutations are clustered in regions of the channel that appear to be critical for normal channel function.

Navigating regulated cell excitation Voltage-gated sodium (Na v ) channels respond to a change in voltage potential by allowing sodium ions to move into cells, thus initiating electrical signaling. Mutations in Na v channels cause neurological and cardiovascular disorders, making the channels important therapeutic targets. Shen et al. determined a high-resolution structure of a Na v channel from the American cockroach by electron microscopy. The structure affords insight into voltage sensing and ion permeability and provides a foundation for understanding function and disease mechanism of Na v and the related Ca v ion channels. Science , this issue p. eaal4326

The interactions between phytohormones are crucial for plants to adapt to complex environmental changes. One example is the ethylene-regulated local auxin biosynthesis in roots, which partly contributes to ethylene-directed root development and gravitropism. Using a chemical biology approach, we identified a small molecule, l-kynurenine (Kyn), which effectively inhibited ethylene responses in Arabidopsis thaliana root tissues. Kyn application repressed nuclear accumulation of the ETHYLENE INSENSITIVE3 (EIN3) transcription factor. Moreover, Kyn application decreased ethylene-induced auxin biosynthesis in roots, and TRYPTOPHAN AMINOTRANSFERASE OF ARABIDOPSIS1/TRYPTOPHAN AMINOTRANSFERASE RELATEDs (TAA1/TARs), the key enzymes in the indole-3-pyruvic acid pathway of auxin biosynthesis, were identified as the molecular targets of Kyn. Further biochemical and phenotypic analyses revealed that Kyn, being an alternate substrate, competitively inhibits TAA1/TAR activity, and Kyn treatment mimicked the loss of TAA1/TAR functions. Molecular modeling and sequence alignments suggested that Kyn effectively and selectively binds to the substrate pocket of TAA1/TAR proteins but not those of other families of aminotransferases. To elucidate the destabilizing effect of Kyn on EIN3, we further found that auxin enhanced EIN3 nuclear accumulation in an EIN3 BINDING F-BOX PROTEIN1 (EBF1)/EBF2-dependent manner, suggesting the existence of a positive feedback loop between auxin biosynthesis and ethylene signaling. Thus, our study not only reveals a new level of interactions between ethylene and auxin pathways but also offers an efficient method to explore and exploit TAA1/TAR-dependent auxin biosynthesis.

Voltage-gated sodium channel Nav1.7 represents a promising target for pain relief. Here we report the cryo-electron microscopy structures of the human Nav1.7-β1-β2 complex bound to two combinations of pore blockers and gating modifier toxins (GMTs), tetrodotoxin with protoxin-II and saxitoxin with huwentoxin-IV, both determined at overall resolutions of 3.2 angstroms. The two structures are nearly identical except for minor shifts of voltage-sensing domain II (VSDII), whose S3-S4 linker accommodates the two GMTs in a similar manner. One additional protoxin-II sits on top of the S3-S4 linker in VSDIV The structures may represent an inactivated state with all four VSDs "up" and the intracellular gate closed. The structures illuminate the path toward mechanistic understanding of the function and disease of Nav1.7 and establish the foundation for structure-aided development of analgesics.