Electron cryo-microscopy (cryo-EM) can generate high-resolution views of cells with faithful preservation of molecular structure. In situ cryo-EM, therefore, has enormous potential to reveal the atomic details of biological processes in their native context. However, in practice, the utility of in situ cryo-EM is limited by the difficulty of reliably locating and confidently identifying molecular targets (particles) and their conformational states in the crowded cellular environment. We recently showed that 2DTM, a fine-grained template-based search applied to cryo-EM micrographs, can localize particles in two-dimensional views of cells with high precision. Here we demonstrate that the signal-to-noise ratio (SNR) observed with 2DTM can be used to differentiate related complexes in focused ion beam (FIB)-milled cell sections. We apply this method in two contexts to locate and classify related intermediate states of 60S ribosome biogenesis in the Saccharomyces cerevisiae cell nucleus. In the first, we separate the nuclear pre-60S population from the cytoplasmic mature 60S population, using the subcellular localization to validate assignment. In the second, we show that relative 2DTM SNRs can be used to separate mixed populations of nuclear pre-60S that are not visually separable. We use a maximum likelihood approach to define the probability of each particle belonging to each class, thereby establishing a statistic to describe the confidence of our classification. Without the need to generate 3D reconstructions, 2DTM can be applied even when only a few target particles exist in a cell.

Recurrent outbreaks of novel zoonotic coronavirus (CoV) diseases since 2000 have high-lighted the importance of developing therapeutics with broad-spectrum activity against CoVs. Because all CoVs use −1 programmed ribosomal frameshifting (−1 PRF) to control expression of key viral proteins, the frameshift signal in viral mRNA that stimulates −1 PRF provides a promising potential target for such therapeutics. To test the viability of this strategy, we explored a group of 6 small-molecule ligands, evaluating their activity against the frameshift signals from a panel of representative bat CoVs—the most likely source of future zoonoses—as well as SARS-CoV-2 and MERS-CoV. We found that whereas some ligands had notable activity against only a few of the frameshift signals, the serine protease inhibitor nafamostat suppressed −1 PRF significantly in several of them, while having limited to no effect on −1 PRF caused by frameshift signals from other viruses used as negative controls. These results suggest it is possible to find small-molecule ligands that inhibit −1 PRF specifically in a broad spectrum of CoVs, establishing the frameshift signal as a viable target for developing pan-coronaviral therapeutics.

Abstract In the early stages of spliceosome assembly, the 3’ splice site is recognized by sequential complexes of U2AF2 with SF1 followed by the SF3B1 subunit of the U2 small nuclear ribonucleoprotein particle. The U2AF2 – SF1 interface comprises a U2AF homology motif (UHM) of U2AF2 and a well-characterized U2AF ligand motif (ULM)/coiled coil region of SF1. However, the structure of the U2AF2 – SF3B1 interface and its importance for pre-mRNA splicing is unknown. To address this knowledge gap, we determined the crystal structure of the U2AF2 UHM bound to a SF3B1 ULM site at 1.8 Å resolution. The trajectory of the SF3B1 ULM across the U2AF2 UHM surface differed from prior UHM/ULM structures. This distinctive structure is expected to modulate the orientations of the fulllength proteins. Using isothermal titration calorimetry, we established similar binding affinities of a minimal U2AF2 UHM – SF3B1 ULM complex and a nearly full-length U2AF2 protein binding the N-terminal SF3B1 region, with or without an auxiliary SF3B6 subunit. We showed that key residues at the U2AF2 UHM – SF3B1 ULM interface are required for high affinity association and co-immunoprecipitation of the splicing factors. Moreover, disrupting the U2AF2 – SF3B1 interface altered splicing of representative human transcripts. Further analysis of these transcripts and genome-wide data sets indicated that the subset of splice sites co-regulated by U2AF2 and SF3B1 are largely distinct from those co-regulated by U2AF2 and SF1. Altogether, these findings support distinct structural and functional roles for the sequential SF1 and SF3B1 complexes with U2AF2 during the pre-mRNA splicing process.

Although the elongating ribosome is an efficient helicase, certain mRNA stem-loop structures are known to impede ribosome movement along mRNA and stimulate programmed ribosome frameshifting via mechanisms that are not well understood. Using biochemical and single-molecule Forster resonance energy transfer (smFRET) experiments, we studied how frameshift-inducing stem-loops from E. coli dnaX mRNA and the gag-pol transcript of Human Immunodeficiency Virus (HIV) perturb translation elongation. We find that upon encountering the ribosome, the stem-loops strongly inhibit A-site tRNA binding and ribosome intersubunit rotation that accompanies translation elongation. Electron cryo-microscopy (cryo-EM) reveals that the HIV stem-loop docks into the A site of the ribosome. Our results suggest that mRNA stem-loops can transiently escape ribosome helicase by binding to the A site. Thus, the stem-loops can modulate gene expression by sterically hindering tRNA binding and inhibiting translation elongation.

Abstract Processing bodies (p-bodies) are a prototypical phase-separated RNA-containing granule. Their abundance is highly dynamic and has been linked to translation. Yet, the molecular mechanisms responsible for coordinate control of the two processes are unclear. Here, we uncover key roles for eEF2 kinase (eEF2K) in the control of ribosome availability and p-body abundance. eEF2K acts on a sole known substrate, eEF2, to inhibit translation. We find that the eEF2K agonist nelfinavir abolishes p-bodies specifically in sensory neurons and impairs translation. To probe the latter, we used cryo-electron microscopy. Nelfinavir stabilizes vacant 80S ribosomes. They contain SERBP1 in place of mRNA and eEF2 in the acceptor site. Phosphorylated eEF2 associates with inactive ribosomes that resist splitting in vitro . Collectively, the data suggest that eEF2 phosphorylation defines a population of inactive ribosomes resistant to recycling and protected from degradation. Thus, eEF2K activity is central to both p-body abundance and ribosome availability in sensory neurons.

Systemic AA amyloidosis is a worldwide occurring disease of humans and animals that arises from the misfolding of serum amyloid A protein. To provide insights into the molecular basis of this disease we used electron cryo-microscopy and determined the structure of an ex vivo amyloid fibril purified from AA amyloidotic mice at 3.0 A resolution. The fibril consists of C-terminally truncated serum amyloid A protein arranged into a compactly folded all-beta conformation. The structure identifies the protein N-terminus as central for the assembly of this fibril and provides a mechanism for its prion-like replication. Our data further explain how amino acid substitutions within the tightly packed fibril core can lead to amyloid resistance in vivo.