Transient receptor potential vanilloid (TRPV) cation channels are polymodal sensors involved in a variety of physiological processes. TRPV2, a member of the TRPV family, is regulated by temperature, by ligands, such as probenecid and cannabinoids, and by lipids. TRPV2 has been implicated in many biological functions, including somatosensation, osmosensation and innate immunity. Here we present the atomic model of rabbit TRPV2 in its putative desensitized state, as determined by cryo-EM at a nominal resolution of ∼4 Å. In the TRPV2 structure, the transmembrane segment 6 (S6), which is involved in gate opening, adopts a conformation different from the one observed in TRPV1. Structural comparisons of TRPV1 and TRPV2 indicate that a rotation of the ankyrin-repeat domain is coupled to pore opening via the TRP domain, and this pore opening can be modulated by rearrangements in the secondary structure of S6.

Abstract There does not currently exist a standardized indicator of how well a cryo-EM-derived model represents the density from which it was generated. We present a straightforward methodology that utilizes freely available tools to generate a suite of independent models and to evaluate their convergence in an EM density. These analyses provide both a quantitative and qualitative assessment of the precision of the models and their representation of the density, respectively, while concurrently providing a platform for assessing both global and local EM map quality. We further use standardized datasets to provide an expected model–model agreement criterion for EM maps reported to be at 5 Å resolution or better. Associating multiple atomic models with a deposited EM map provides a rapid and accessible reporter of convergence, a strong indicator of highly resolved molecular detail, and is an important step toward an FSC-independent assessment of map and model quality.

Abstract This paper describes outcomes of the 2019 Cryo-EM Map-based Model Metrics Challenge sponsored by EMDataResource ( www.emdataresource.org ). The goals of this challenge were (1) to assess the quality of models that can be produced using current modeling software, (2) to check the reproducibility of modeling results from different software developers and users, and (3) compare the performance of current metrics used for evaluation of models. The focus was on near-atomic resolution maps with an innovative twist: three of four target maps formed a resolution series (1.8 to 3.1 Å) from the same specimen and imaging experiment. Tools developed in previous challenges were expanded for managing, visualizing and analyzing the 63 submitted coordinate models, and several novel metrics were introduced. The results permit specific recommendations to be made about validating near-atomic cryo-EM structures both in the context of individual laboratory experiments and holdings of structure data archives such as the Protein Data Bank. Our findings demonstrate the relatively high accuracy and reproducibility of cryo-EM models derived from these benchmark maps by 13 participating teams, representing both widely used and novel modeling approaches. We also evaluate the pros and cons of the commonly used metrics to assess model quality and recommend the adoption of multiple scoring parameters to provide full and objective annotation and assessment of the model, reflective of the observed density in the cryo-EM map.

Abstract The enzyme nitrogenase couples adenosine triphosphate (ATP) hydrolysis to the multi-electron reduction of atmospheric dinitrogen into ammonia. Despite extensive research, the mechanistic details of ATP-dependent energy transduction and dinitrogen reduction by nitrogenase are not well understood, requiring new strategies to monitor its structural dynamics during catalytic action. Here we report the cryogenic electron microscopic interrogation of the nitrogenase complex under enzymatic turnover conditions, which has enabled the structural characterization of the nitrogenase reaction intermediates at high resolution for the first time. Our structures show that asymmetry governs all aspects of nitrogenase mechanism including ATP hydrolysis, protein-protein interactions, and catalysis. Furthermore, they reveal several previously unobserved, mechanistically relevant conformational changes near the catalytic iron-molybdenum cofactor that are correlated with the nucleotide-hydrolysis state of the enzyme. One-sentence summary High-resolution cryoEM structures of the nitrogenase complex obtained under turnover provide new mechanistic insights.

Advances in single-particle cryogenic electron microscopy (cryoEM) now allow for routine structure determination of well-behaved biological specimens to high-resolution. Despite advances in the electron microscope, direct electron detectors, and data processing software, the preparation of high-quality grids with thin layers of vitreous ice containing the specimen of interest in random orientations remains a critical bottleneck for many projects. Although numerous efforts have been dedicated to overcoming hurdles frequently encountered during specimen vitrification using traditional blot-and-plunge specimen preparation techniques, the development of blot-free grid preparation devices provide a unique opportunity to carefully tune ice thickness, particle density, and specimen behavior during the vitrification process for improvements in image quality. Here, we describe critical steps of high-quality grid preparation using a SPT Labtech chameleon, evaluation of grid quality/ice thickness using the chameleon software, high-throughput imaging in the electron microscope, and recommend steps for troubleshooting grid preparation when standard parameters fail to yield suitable specimen.

High-quality grid preparation for single-particle cryogenic electron microscopy (cryoEM) remains a bottleneck for routinely obtaining high-resolution structures. The issues that arise from traditional grid preparation workflows are particularly exacerbated for oxygen-sensitive proteins, including metalloproteins, whereby oxygen-induced damage and alteration of oxidation states can result in protein inactivation, denaturation, and/or aggregation. Indeed, 99% of the current structures in the EMBD were prepared aerobically and limited successes for anaerobic cryoEM grid preparation exist. Current practices for anaerobic grid preparation involve a vitrification device located in an anoxic chamber, which presents significant challenges including temperature and humidity control, optimization of freezing conditions, costs for purchase and operation, as well as accessibility. Here, we present a streamlined approach that allows for the (an)aerobic vitrification of oxygen-sensitive proteins using an automated aerobic blot-free grid vitrification device - the SPT Labtech chameleon. This robust workflow allows for high-resolution structure determination of dynamic, oxygen-sensitive proteins, of varying complexity and molecular weight.

Transient receptor potential vanilloid channel 3 (TRPV3), a member of the thermosensitive TRP (thermoTRPV) channels, is activated by warm temperatures and serves as a key regulator of normal skin physiology through the release of pro-inflammatory messengers. Mutations in trpv3 have been identified as the cause of the congenital skin disorder, Olmsted syndrome. Unlike other members of the thermoTRPV channel family, TRPV3 sensitizes upon repeated simulation, yet a lack of structural information about the channel precludes a molecular-level understanding of TRPV3 sensitization and gating. Here, we present the cryo-electron microscopy structures of apo and sensitized human TRPV3, as well as several structures of TRPV3 in the presence of the common thermoTRPV agonist 2-aminoethoxydiphenyl borate (2-APB). Our results show α-to-Φ-helix transitions in the S6 during sensitization, and suggest a critical role for the S4-S5 linker Φ-helix during ligand gating.

Technical and methodological advances in single-particle cryo-electron microscopy (cryo-EM) have expanded the technique into a resolution regime that was previously only attainable by X-ray crystallography. Although single-particle cryo-EM has proven to be a useful technique for determining the structures of biomedically relevant molecules at near-atomic resolution, nearly 98% of the structures resolved to better than 4 Å resolution have been determined using 300 keV transmission electron microscopes (TEMs). We demonstrate that it is possible to obtain cryo-EM reconstructions of macromolecular complexes at a range of sizes to better than 3 Å resolution using a 200 keV TEM. These structures are of sufficient quality to unambiguously assign amino acid rotameric conformations and identify ordered water molecules, features previously thought only to be resolvable using TEMs operating at 300 keV.

Abstract Maintenance of protein homeostasis is necessary for cell viability and depends on a complex network of chaperones and co-chaperones, including the heat-shock protein 70 (Hsp70) system. In human mitochondria, mitochondrial Hsp70 (mortalin) and the nucleotide exchange factor (GrpEL1) work synergistically to stabilize proteins, assemble protein complexes, and facilitate protein import. However, our understanding of the molecular mechanisms guiding these processes is hampered by limited structural information. To elucidate these mechanistic details, we used cryoEM to determine the first structures of full-length human mortalin-GrpEL1 complexes in previously unobserved states. Our structures and molecular dynamics simulations allow us to delineate specific roles for mortalin-GrpEL1 interfaces and to identify steps in GrpEL1-mediated nucleotide and substrate release by mortalin. Subsequent analyses reveal conserved mechanisms across bacteria and mammals and facilitate a complete understanding of sequential nucleotide and substrate release for the Hsp70 chaperone system.

Although the advent of direct electron detectors (DEDs) and software developments have enabled the routine use of single-particle cryogenic electron microscopy (cryo-EM) for structure determination of well-behaved specimens to high-resolution, there nonetheless remains a discrepancy between the resolutions attained for biological specimens and the information limits of modern transmission electron microscopes (TEMs). Instruments operating at 300 kV equipped with DEDs are the current paradigm for high-resolution single-particle cryo-EM, while 200 kV TEMs remain comparatively underutilized for purposes beyond sample screening. Here, we expand upon our prior work and demonstrate that one such 200 kV microscope, the Talos Arctica, equipped with a K2 DED is capable of determining structures of macromolecules to as high as ~1.7 Å resolution. At this resolution, ordered water molecules are readily assigned and holes in aromatic residues can be clearly distinguished in the reconstructions. This work emphasizes the utility of 200 keV for high-resolution single-particle cryo-EM and applications such as structure-based drug design.