Abstract TACAN is an ion channel involved in sensing mechanical pain. It has recently been shown to represent a novel and evolutionarily conserved class of mechanosensitive channels. Here, we present the cryoelectron microscopic structure of human TACAN (hTACAN). hTACAN forms a dimer in which each protomer consists of a transmembrane globular domain (TMD) that is formed of six helices and an intracellular domain (ICD) that is formed of two helices. Molecular dynamic simulations suggest that a putative ion conduction pathway is located inside each protomer. Single point mutation of the key residue Met207 significantly increased the surface tension activated currents. Moreover, cholesterols were identified at the flank of each subunit. Our data show the molecular assembly of hTACAN and suggest that the wild type hTACAN is in a closed state, providing a basis for further understanding the activation mechanism of the hTACAN channel.

Abstract Microalgae are highly efficient photosynthetic organisms that hold enormous potential as sources of renewable energy. In particular, Chlorella pyrenoidosa displays a rapid growth rate, high tolerance to light, and high lipid content, making it especially valuable for applications such as flue gas CO 2 fixation, biofuel production, and nutritional extracts. In order to unveil its full potential, it is necessary to characterize its subcellular architecture. Here, we achieved three-dimensional (3D) visualization of the architectures of C. pyrenoidosa cells, by combining focused ion beam scanning electron microscopy (FIB/SEM), cryo-FIB milling, and cryo-electron tomography (cryo-ET). These high-resolution images bring to light intricate features of intact organelles, including thylakoid membranes, pyrenoid, starch granules, mitochondria, nucleus, lipid droplets and vacuoles, as well as the fine architectures within the chloroplast, including the concave-convex pyrenoid, plastoglobules, thylakoid tips, and convergence zones. Significantly, comparative analysis of wild-type and nuclear-irradiated mutagenic strains determined that cell volume and surface area of mutant cells have increased substantially to 2.2-fold and 1.7-fold, respectively, consistent with up-regulation of the enzyme Rubisco and enhanced photosynthetic metabolic processes. Moreover, quantitative analysis established that the thylakoid membrane width in mutant cells increased to 1.3-fold, while the membrane gap decreased to 0.8-fold, possibly contributing to the higher biomass growth rate of mutant cells. Our work reveals the first 3D subcellular architectures of C. pyrenoidosa cell and provides a structural framework for unlocking the higher growth rate in microalgae relevant to a wide range of industrial applications.

Post-translational modifications (PTMs) of α-synuclein (α-syn), e.g. phosphorylation, play an important role in modulating α-syn pathology in Parkinson's disease (PD) and α-synucleinopathies. Accumulation of phosphorylated α-syn fibrils in Lewy bodies and Lewy neurites is the histological hallmark of these diseases. However, it is unclear how phosphorylation relates to α-syn pathology. Here, by combining chemical synthesis and bacterial expression, we obtained homogeneous α-syn fibrils with site-specific phosphorylation at Y39, which exhibits enhanced neuronal pathology in rat primary cortical neurons. We determined the cryo-EM structure of pY39 α-syn fibril, which reveals a new fold of α-syn with pY39 in the center of the fibril core forming electrostatic interaction network with eight charged residues in the N-terminal region of α-syn. This structure composed of residues 1-100 represents the largest α-syn fibril core determined so far. This work provides structural understanding on the pathology of pY39 α-syn fibril, and highlights the importance of PTMs in defining the polymorphism and pathology of amyloid fibrils in neurodegenerative diseases.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.

Mitochondria play vital functions in cellular metabolism, homeostasis, and apoptosis1-3. Most of the mitochondrial proteins are synthesized as precursors in the cytosol and imported into mitochondria for folding or maturation4,5. The translocase TIM22 complex is responsible for the import of multiple hydrophobic carrier proteins that are then folded in the inner membrane of mitochondria6-8. In mammalian cells, the TIM22 complex consists of at least six components, Tim22, Tim29, AGK, and three Tim chaperones (Tim9, Tim10a and Tim10b)9-14. Here, we report the cryo-EM structure of the human translocase TIM22 complex at an overall resolution of 3.7 angstrom. The core subunit, Tim22, contains four transmembrane helices, forming a partial pore that is open to the lipid bilayer. Tim29 is a single transmembrane protein that provides an N-terminal helix to stabilize Tim22 and a C-terminal intermembrane space (IMS) domain to connect AGK and two TIM chaperone hexamers to maintain complex integrity. One TIM hexamer comprises Tim9 and Tim10a in a 3:3 molar ratio, and the other consists of two Tim9 units, three Tim10a units, and one Tim10b unit. The latter hexamer faces the intramembrane region of Tim22, likely providing the dock to load the precursors to the partial pore of Tim22. Our structure serves as a molecular basis for the mechanistic understanding of TIM22 complex function.

The Orai channel is characterized by voltage independence, low conductance and high Ca2+ selectivity and plays an important role in Ca2+ influx through the plasma membrane. How the channel is activated and promotes Ca2+ permeation are not well understood. Here, we report the crystal structure and cryo-electron microscopy reconstruction of a Drosophila melanogaster Orai mutant (P288L) channel that is constitutively active according to electrophysiology. The open state of the Orai channel showed a hexameric assembly in which six TM1 helices in the center form the ion-conducting pore, and six TM4 helices in the periphery form extended long helices. Orai channel activation requires conformational transduction from TM4 to TM1 and eventually causes the basic section of TM1 to twist outward. The wider pore on the cytosolic side aggregates anions to increase the potential gradient across the membrane and thus facilitate Ca2+ permeation. The open-state structure of the Orai channel offers insights into channel assembly, channel activation and Ca2+ permeation.

Summary Calcium hemostasis modulator 1 (CALHM1) is a voltage- and Ca 2+ -gated ATP channel that plays an important role in neuronal signaling. The currently reported CALHM structures are all in an ATP-conducting state, and the gating mechanism of ATP permeation remains elusive. Here, we report three cryo-EM reconstructions of Danio rerio heptameric CALHM1s with ordered or flexible long C-terminal helices as well as Danio rerio octameric CALHM1 with flexible long C-terminal helices at resolutions of 3.2 Å, 2.9 Å, and 3.5 Å. Structural analysis revealed that the heptameric CALHM1s are in an ATP nonconducting state in which the pore diameter in the middle is approximately 6.6 Å. Compared with those inside the octameric CALHM1s, the N- helices inside heptameric CALHM1s are in the “down” position to avoid steric clash with neighboring TM1 helices. Molecular dynamic simulation shows that the pore size is significantly increased for ATP molecule permeation during the movement of the N- helix from the “down” position to the “up” position. Therefore, we proposed a mechanism in which the “piston-like” motion of the N-helix drives the dynamic assembly of the CALHM1 channel for ATP molecule permeation. Our results provide insights into the ATP permeation mechanism of the CALHM1 channel.

SUMMARY Influenza polymerase (FluPol) transcripts viral mRNA and switches to replicate viral genome after transcription. However, it remains unknown how FluPol switches between transcription and replication cycles, especially when considering that the structural basis of these two functions is fundamentally different. Here, we proposed a mechanism that FluPol achieves the functional switching between these two cycles through an unreported intermediate conformation, termed as resident state. We obtained a resident state structure of H5N1 FluPol at 3.7 Å using cryo-EM, which is characterized by a blocked Cap-binding domain and a contracted core region, distinct from the structures of either transcription or replication states. Structural analysis results suggest that the resident state structure is feasible to smoothly transit into structures of both transcription and replication states. Furthermore, we show that formation of the resident state is required for both transcription and replication activities of FluPol. Together, the transcription and replication cycles of FluPol are connected via a resident state.