The protein α-synuclein is the main component of Lewy bodies, the neuron-associated aggregates seen in Parkinson disease and other neurodegenerative pathologies. An 11-residue segment, which we term NACore, appears to be responsible for amyloid formation and cytotoxicity of human α-synuclein. Here we describe crystals of NACore that have dimensions smaller than the wavelength of visible light and thus are invisible by optical microscopy. As the crystals are thousands of times too small for structure determination by synchrotron X-ray diffraction, we use micro-electron diffraction to determine the structure at atomic resolution. The 1.4 Å resolution structure demonstrates that this method can determine previously unknown protein structures and here yields, to our knowledge, the highest resolution achieved by any cryo-electron microscopy method to date. The structure exhibits protofibrils built of pairs of face-to-face β-sheets. X-ray fibre diffraction patterns show the similarity of NACore to toxic fibrils of full-length α-synuclein. The NACore structure, together with that of a second segment, inspires a model for most of the ordered portion of the toxic, full-length α-synuclein fibril, presenting opportunities for the design of inhibitors of α-synuclein fibrils.

Abstract Control of metabolism by compartmentation is a widespread feature of higher cells. Recent studies have focused on dynamic intracellular bodies such as stress granules, P-bodies, nucleoli, and metabolic puncta. These bodies appear as separate phases, some containing reversible, amyloid-like fibrils formed by interactions of low-complexity protein domains. Here we report five atomic structures of segments of low-complexity domains from granule-forming proteins, one determined to 1.1 Å resolution by micro-electron diffraction. Four of these interacting protein segments show common characteristics, all in contrast to pathogenic amyloid: kinked peptide backbones, small surface areas of interaction, and predominate attractions between aromatic side-chains. By computationally threading the human proteome on three of our kinked structures, we identified hundreds of low-complexity segments potentially capable of forming such reversible interactions. These segments are found in proteins as diverse as RNA binders, nuclear pore proteins, keratins, and cornified envelope proteins, consistent with the capacity of cells to form a wide variety of dynamic intracellular bodies. One Sentence Summary Atomic structures show transient membraneless organelles of cells formed by a new type of protein interaction akin to pathogenic amyloid fibrils.

Abstract The cytoplasmic polyadenylation element-binding protein 3 (CPEB3) is a prion-like RNA-binding polypeptide. As a functional prion, CPEB3 is thought to modulate protein synthesis at synapses and enable consolidation of long-term memory in neurons. Here, we report that the prion-like domain 1 of CPEB3 self-assembles into labile amyloid fibrils in vitro . A cryoEM structure of these fibrils reveals an ordered 48-residue core, spanning L103 to F151. CPEB3 constructs lacking this amyloidogenic segment form abnormal puncta in cells when compared to wild type CPEB3, with reduced localization in dormant p-bodies and increased localization in stress granules. Removal of the amyloid core segment in CPEB3 also abolishes its ability to regulate protein synthesis in neurons. Collectively, this evidence suggests that the newly identified amyloidogenic segment within the CPEB3 prion domain is important for its regulated aggregation in cells and suggest its involvement in regulating translational activity and potentially long-term memory formation.

Abstract Microcrystal electron diffraction (MicroED) is transforming the visualization of molecules from nanocrystals, rendering their three-dimensional atomic structures from previously unamenable samples. Peptidic structures determined by MicroED include naturally occurring peptides, synthetic protein fragments and peptide-based natural products. However, as a diffraction method, MicroED is beholden to the phase problem, and its de novo determination of structures remains a challenge. ARCIMBOLDO, an automated, fragment-based approach to structure determination. It eliminates the need for atomic resolution, instead enforcing stereochemical constraints through libraries of small model fragments, and discerning congruent motifs in solution space to ensure validation. This approach expands the reach of MicroED to presently inaccessible peptidic structures including segments of human amyloids, and yeast and mammalian prions, and portends a more general phasing solution while limiting model bias for a wider set of chemical structures.

Nanocrystallography has transformed our ability to interrogate the atomic structures of proteins, peptides, organic molecules and materials. By probing atomic level details in ordered sub-10 nm regions of nanocrystals, approaches in scanning nanobeam electron diffraction extend the reach of nanocrystallography and mitigate the need for diffraction from large portions of one or more crystals. We now apply scanning nanobeam electron diffraction to determine atomic structures from digitally defined regions of beam-sensitive peptide nanocrystals. Using a direct electron detector, we record thousands of sparse diffraction patterns over multiple crystal orientations. We assign each pattern to a specific location on a single nanocrystal with axial, lateral and angular coordinates. This approach yields a collection of patterns that represent a tilt series across an angular wedge of reciprocal space: a scanning nanobeam diffraction tomogram. From this diffraction tomogram, we can digitally extract intensities from any desired region of a scan in real or diffraction space, exclusive of all other scanned points. Intensities from multiple regions of a crystal or from multiple crystals can be merged to increase data completeness and mitigate missing wedges. Merged intensities from digitally defined regions of two crystals of a segment from the OsPYL/RCAR5 protein produce fragment-based ab-initio solutions that can be refined to atomic resolution, analogous to structures determined by selected area electron diffraction. In allowing atomic structures to now be determined from digitally outlined regions of a nanocrystal, scanning nanobeam diffraction tomography breaks new ground in nanocrystallography.

Theoretical calculations suggest that crystals exceeding 100 nm thickness are excluded by dynamical scattering from successful structure determination using microcrystal electron diffraction (MicroED). These calculations are at odds with experimental results where MicroED structures have been determined from significantly thicker crystals. Here we systematically evaluate the influence of thickness on the accuracy of MicroED intensities and the ability to determine structures from protein crystals one micrometer thick. To do so, we compare ab initio structures of a human prion protein segment determined from thin crystals to those determined from crystals up to one micrometer thick. We also compare molecular replacement solutions from crystals of varying thickness for a larger globular protein, proteinase K. Our results indicate that structures can be reliably determined from crystals at least an order of magnitude thicker than previously suggested by simulation, opening the possibility for an even broader range of MicroED experiments.

Abstract Cry11Aa and Cry11Ba are the two most potent toxins produced by mosquitocidal Bacillus thuringiensis subsp. israelensis and jegathesan , respectively. The toxins naturally crystallize within the host; however, the crystals are too small for structure determination at synchrotron sources. Therefore, we applied serial femtosecond crystallography at X-ray free electron lasers to in vivo -grown nanocrystals of these toxins. The structure of Cry11Aa was determined de novo using the single-wavelength anomalous dispersion method, which in turn enabled the determination of the Cry11Ba structure by molecular replacement. The two structures reveal a new pattern for in vivo crystallization of Cry toxins, whereby each of their three domains packs with a symmetrically identical domain, and a cleavable crystal packing motif is located within the protoxin rather than at the termini. The diversity of in vivo crystallization patterns suggests explanations for their varied levels of toxicity and rational approaches to improve these toxins for mosquito control.

ALECT2 is a type of systemic amyloidosis caused by deposition of the leukocyte cell-derived chemotaxin-2 (LECT2) protein in the form of fibrils. In ALECT2, LECT2 fibril deposits can be found in the glomerulus, resulting in renal failure. Affected patients lack effective treatment options outside of renal transplant or dialysis. While the structure of LECT2 in its globular form has been determined by X-ray crystallography, structures of LECT2 amyloid fibrils remain unknown. Using single particle cryo-EM, we now find that human LECT2 forms robust twisting fibrils with canonical amyloid features. At their core, LECT2 fibrils contain two mating protofilaments, the ordered core of each protofilament spans residues 55-75 of the LECT2 sequence. The overall geometry of the LECT2 fibril displays features in line with other pathogenic amyloids. Its core is tightly packed and stabilized by a network of hydrophobic contacts and hydrogen-bonded uncharged polar residues, while its outer surface displays several charged residues. The robustness of LECT2 fibril cores is illustrated by their limited dissolution in 3M urea and their persistence after treatment with proteinase K. As such, the LECT2 fibril structure presents a potential new target for treatments against ALECT2.

The ice nucleation protein InaZ of Pseudomonas syringae contains a large number of degenerate repeats that span more than a quarter of its sequence and include the segment GSTSTA. We determine ab initio structures of this repeat segment, resolved to 1.1A by microfocus x-ray crystallography and 0.9A by the cryoEM method MicroED, from both racemic and homochiral crystals. We evaluate the benefits of racemic protein crystals for structure determination by MicroED and confirm that phase restriction introduced by crystal centrosymmetry increases the number of successful trials during ab initio phasing of electron diffraction data. Both homochiral and racemic GSTSTA form amyloid-like protofibrils with labile, corrugated antiparallel beta sheets that mate face to back. The racemic GSTSTA protofibril represents a new class of amyloid assembly in which all left-handed sheets mate with their all right-handed counterparts. Our determination of racemic amyloid assemblies by MicroED reveals complex amyloid architectures and illustrates the racemic advantage in macromolecular crystallography, now with sub-micron sized crystals.

Micro-crystal electron diffraction (MicroED) is an emerging method in cryo-EM for structure determination using nanocrystals. It has been used to solve structures of a diverse set of biomolecules and materials, in some cases to sub-atomic resolution. However, little is known about the damaging effects of the electron beam on samples during such measurements. We assess global and site-specific damage from electron radiation on nanocrystals of proteinase K and of a prion hepta-peptide and find that the dynamics of electron-induced damage follow well-established trends observed in X-ray crystallography. Metal ions are perturbed, disulfide bonds are broken, and acidic side chains are decarboxylated while the diffracted intensities decay exponentially with increasing exposure. A better understanding of radiation damage in MicroED improves our assessment and processing of all types of cryo-EM data.