Abstract The α-keto acid dehydrogenase complex family catalyzes the essential oxidative decarboxylation of α-keto acids to yield acyl-CoA and NADH. Despite performing the same overarching reaction, members of the family have different component structures and structural organization between each other and across phylogenetic species. While native structures of α-keto acid dehydrogenase complexes from bacteria and fungi became available recently, the atomic structure and organization of their mammalian counterparts in their native states remain unknown. Here, we report the cryo electron microscopy (cryoEM) structures of the endogenous cubic 2-oxoglutarate dehydrogenase complex (OGDC) and icosahedral pyruvate dehydrogenase complex (PDC) cores from bovine kidney determined at 3.5 Å and 3.8 Å resolution, respectively. The structures of multiple protein were reconstructed from a single lysate sample, allowing direct structural comparison without the concerns of differences arising from sample preparation and structure determination. Although native and recombinant E2 core scaffold structures are similar, native structures are decorated with their peripheral E1 and E3 subunits. Asymmetric sub-particle reconstructions support heterogeneity in the arrangements of these peripheral subunits. Additionally, despite sharing a similar monomeric fold, OGDC and PDC E2 cores have distinct interdomain and intertrimer interactions, which suggests a means of modulating self-assembly to mitigate heterologous binding between mismatched E2 species. The lipoyl moiety lies near a mobile gatekeeper within the interdomain active site of OGDC E2 and PDC E2. Analysis of the two-fold related intertrimer interface identified secondary structural differences and chemical interactions between icosahedral and cubic geometries of the core. Taken together, our study provides direct structural comparison of OGDC and PDC from the same source and offers new insights into determinants of interdomain interactions and of architecture diversity among α-keto acid dehydrogenase complexes.

Summary The cytoskeleton of red blood cell (RBC) is anchored to cell membrane by the ankyrin complex. This complex is assembled during RBC genesis and comprises primarily band 3, protein 4.2 and ankyrin, whose mutations contribute to numerous human inherited diseases. High-resolution structures of the ankyrin complex have been long sought-after to understand its assembly and disease-causing mutations. Here, we analyzed native complexes on human RBC membrane by stepwise fractionation. Cryo-electron microscopy structures of nine band 3-associated complexes reveal that protein 4.2 stabilizes the cytoplasmic domain of band 3 dimer. In turn, the superhelix-shaped ankyrin binds to this protein 4.2 via ankyrin repeats (ARs) 6-13 and to another band 3 dimer via ARs 17-20, bridging two band 3 dimers in the ankyrin complex. Integration of these structures with both prior and our biochemical data supports a model of ankyrin complex assembly during erythropoiesis and identifies interactions essential for mechanical stability of RBC.

Abstract Virus-induced cellular condensates, or viral factories, are poorly understood high-density phases where replication of many viruses occurs. Here, by cryogenic electron tomography (cryoET) of focused ion beam (FIB) milling-produced lamellae of mammalian reovirus (MRV)-infected cells, we visualized the molecular organization and interplay (i.e., “molecular sociology”) of host and virus in 3D at two time points post-infection, enabling a detailed description of these condensates and a mechanistic understanding of MRV replication within them. Expanding over time, the condensate fashions host ribosomes at its periphery, and host microtubules, lipid membranes, and viral molecules in its interior, forming a 3D architecture that supports the dynamic processes of viral genome replication and capsid assembly. A total of six MRV assembly intermediates are identified inside the condensate: star core, empty and genome-containing cores, empty and full virions, and outer shell particle. Except for star core, these intermediates are visualized at atomic resolution by cryogenic electron microscopy (cryoEM) of cellular extracts. The temporal sequence and spatial rearrangement among these viral intermediates choreograph the viral life cycle within the condensates. Together, the molecular sociology of MRV-induced cellular condensate highlights the functional advantage of transient enrichment of molecules at the right location and time for viral replication.

Enveloped viruses enter cells by fusing their envelopes to host cell membranes. Vesicular stomatitis virus (VSV) glycoprotein (G) is a prototype for class III fusion proteins. Although structures of the stable pre- and postfusion ectodomain of G are known, its fusogenic intermediates are insufficiently characterized. Here, we incubated VSV virions with late endosome-mimicking liposomes at pH 5.5 and used cryo–electron tomography (cryo-ET) to visualize stages of VSV’s membrane fusion pathway, capture refolding intermediates of G, and reconstruct a sequence of G conformational changes. We observe that the G trimer disassembles into monomers and parallel dimers that explore a broad conformational space. Extended intermediates engage target membranes and mediate fusion, resulting in viral uncoating and linearization of the ribonucleoprotein genome. These viral fusion intermediates provide mechanistic insights into class III viral fusion processes, opening avenues for future research and structure-based design of fusion inhibition-based antiviral therapeutics.