Single-particle cryo-EM continues to grow into a mainstream structural biology technique. Recent developments in data collection strategies alongside new sample preparation devices heralds a future where users will collect multiple datasets per microscope session. To make cryo-EM data processing more automatic and user-friendly, we have developed an automatic pipeline for cryo-EM data preprocessing and assessment using a combination of deep learning and image analysis tools. We have verified the performance of this pipeline on a number of datasets and extended its scope to include sample screening by the user-free assessment of the qualities of a series of datasets under different conditions. We propose that our workflow provides a decision-free solution for cryo-EM, making data preprocessing more generalized and robust in the high-throughput era as well as more convenient for users from a range of backgrounds.

PIP3-dependent Rac exchanger 1 (P–Rex1) is abundantly expressed in neutrophils and plays central roles in chemotaxis and cancer metastasis by serving as a guanine nucleotide exchange factor (GEF) for Rac. The enzyme is synergistically activated by PIP3 and the heterotrimeric Gβγ subunits, but mechanistic details remain poorly understood. While investigating the regulation of P–Rex1 by PIP3, we discovered that Ins(1,3,4,5)P4 (IP4) inhibits P–Rex1 activity and induces large decreases in backbone dynamics in diverse regions of the protein. Cryo–electron microscopy analysis of the P–Rex1·IP4 complex revealed a conformation wherein the pleckstrin homology (PH) domain occludes the active site of the Dbl homology (DH) domain. This configuration is stabilized by interactions between the first DEP domain (DEP1) and the DH domain and between the PH domain and a 4–helix bundle (4HB) subdomain that extends from the C–terminal domain of P–Rex1. Disruption of the DH—DEP1 interface in a DH/PH–DEP1 fragment enhanced activity and led to a more extended conformation in solution, whereas mutations that constrain the occluded conformation led to decreased GEF activity. Variants of full–length P–Rex1 in which the DH—DEP1 and PH—4HB interfaces were disturbed exhibited enhanced activity during chemokine–induced cell migration, confirming that the observed structure represents the autoinhibited state in living cells. Interactions with PIP3–containing liposomes led to disruption of these interfaces and increased dynamics protein–wide. Our results further suggest that inositol phosphates such as IP4 help to inhibit basal P–Rex1 activity in neutrophils, similar to their inhibitory effects on phosphatidylinositol–3–kinase.

Recent advances in single-particle cryo-electron microscopy (cryo-EM) data collection utilizes beam-image shift to improve throughput. Despite implementation on 300 keV cryo-EM instruments, it remains unknown how well beam-image shift data collection affects data quality on 200 keV instruments and how much aberrations can be computationally corrected. To test this, we collected and analyzed a cryo-EM dataset of aldolase at 200 keV using beam-image shift. This analysis shows that beam tilt on the instrument initially limited the resolution of aldolase to 4.9Å. After iterative rounds of aberration correction and particle polishing in RELION, we were able to obtain a 2.8Å structure. This analysis demonstrates that software correction of microscope aberrations can provide a significant improvement in resolution at 200 keV.

PIP 3 -dependent Rac exchanger 1 (P-Rex1) is abundantly expressed in neutrophils and plays central roles in chemotaxis and cancer metastasis by serving as a guanine-nucleotide exchange factor (GEF) for Rac. The enzyme is synergistically activated by PIP 3 and heterotrimeric Gβγ subunits, but mechanistic details remain poorly understood. While investigating the regulation of P-Rex1 by PIP 3 , we discovered that Ins(1,3,4,5)P 4 (IP 4 ) inhibits P-Rex1 activity and induces large decreases in backbone dynamics in diverse regions of the protein. Cryo-electron microscopy analysis of the P-Rex1·IP 4 complex revealed a conformation wherein the pleckstrin homology (PH) domain occludes the active site of the Dbl homology (DH) domain. This configuration is stabilized by interactions between the first DEP domain (DEP1) and the DH domain and between the PH domain and a 4-helix bundle (4HB) subdomain that extends from the C-terminal domain of P-Rex1. Disruption of the DH–DEP1 interface in a DH/PH-DEP1 fragment enhanced activity and led to a more extended conformation in solution, whereas mutations that constrain the occluded conformation led to decreased GEF activity. Variants of full-length P-Rex1 in which the DH–DEP1 and PH–4HB interfaces were disturbed exhibited enhanced activity during chemokine-induced cell migration, confirming that the observed structure represents the autoinhibited state in living cells. Interactions with PIP 3 -containing liposomes led to disruption of these interfaces and increased dynamics protein-wide. Our results further suggest that inositol phosphates such as IP 4 help to inhibit basal P-Rex1 activity in neutrophils, similar to their inhibitory effects on phosphatidylinositol-3-kinase.