Diffraction (X-ray, neutron and electron) and electron cryo-microscopy are powerful methods to determine three-dimensional macromolecular structures, which are required to understand biological processes and to develop new therapeutics against diseases. The overall structure-solution workflow is similar for these techniques, but nuances exist because the properties of the reduced experimental data are different. Software tools for structure determination should therefore be tailored for each method. Phenix is a comprehensive software package for macromolecular structure determination that handles data from any of these techniques. Tasks performed with Phenix include data-quality assessment, map improvement, model building, the validation/rebuilding/refinement cycle and deposition. Each tool caters to the type of experimental data. The design of Phenix emphasizes the automation of procedures, where possible, to minimize repetitive and time-consuming manual tasks, while default parameters are chosen to encourage best practice. A graphical user interface provides access to many command-line features of Phenix and streamlines the transition between programs, project tracking and re-running of previous tasks.

In preclinical models of glioblastoma, antigen escape variants can lead to tumor recurrence after treatment with CAR T cells that are redirected to single tumor antigens. Given the heterogeneous expression of antigens on glioblastomas, we hypothesized that a bispecific CAR molecule would mitigate antigen escape and improve the antitumor activity of T cells. Here, we created a CAR that joins a HER2-binding scFv and an IL13Rα2-binding IL-13 mutein to make a tandem CAR exodomain (TanCAR) and a CD28.ζ endodomain. We determined that patient TanCAR T cells showed distinct binding to HER2 or IL13Rα2 and had the capability to lyse autologous glioblastoma. TanCAR T cells exhibited activation dynamics that were comparable to those of single CAR T cells upon encounter of HER2 or IL13Rα2. We observed that TanCARs engaged HER2 and IL13Rα2 simultaneously by inducing HER2-IL13Rα2 heterodimers, which promoted superadditive T cell activation when both antigens were encountered concurrently. TanCAR T cell activity was more sustained but not more exhaustible than that of T cells that coexpressed a HER2 CAR and an IL13Rα2 CAR, T cells with a unispecific CAR, or a pooled product. In a murine glioblastoma model, TanCAR T cells mitigated antigen escape, displayed enhanced antitumor efficacy, and improved animal survival. Thus, TanCAR T cells show therapeutic potential to improve glioblastoma control by coengaging HER2 and IL13Rα2 in an augmented, bivalent immune synapse that enhances T cell functionality and reduces antigen escape.

This Meeting Review describes the proceedings and conclusions from the inaugural meeting of the Electron Microscopy Validation Task Force organized by the Unified Data Resource for 3DEM (http://www.emdatabank.org) and held at Rutgers University in New Brunswick, NJ on September 28 and 29, 2010. At the workshop, a group of scientists involved in collecting electron microscopy data, using the data to determine three-dimensional electron microscopy (3DEM) density maps, and building molecular models into the maps explored how to assess maps, models, and other data that are deposited into the Electron Microscopy Data Bank and Protein Data Bank public data archives. The specific recommendations resulting from the workshop aim to increase the impact of 3DEM in biology and medicine.

Targeted T cells are emerging as effective non-toxic therapies for cancer. Multiple elements, however, contribute to the overall pathogenesis of cancer through both distinct and redundant mechanisms. Hence, targeting multiple cancer-specific markers simultaneously could result in better therapeutic efficacy. We created a functional chimeric antigen receptor-the TanCAR, a novel artificial molecule that mediates bispecific activation and targeting of T cells. We demonstrate the feasibility of cumulative integration of structure and docking simulation data using computational tools to interrogate the design and predict the functionality of such a complex bispecific molecule. Our prototype TanCAR induced distinct T cell reactivity against each of two tumor restricted antigens, and produced synergistic enhancement of effector functions when both antigens were simultaneously encountered. Furthermore, the TanCAR preserved the cytolytic ability of T cells upon loss of one of the target molecules and better controlled established experimental tumors by recognition of both targets in an animal disease model. This proof-of-concept approach can be used to increase the specificity of effector cells for malignant versus normal target cells, to offset antigen escape or to allow for targeting the tumor and its microenvironment.Molecular Therapy-Nucleic Acids (2013) 2, e105; doi:10.1038/mtna.2013.32; published online 9 July 2013.

Abstract This paper describes outcomes of the 2019 Cryo-EM Map-based Model Metrics Challenge sponsored by EMDataResource ( www.emdataresource.org ). The goals of this challenge were (1) to assess the quality of models that can be produced using current modeling software, (2) to check the reproducibility of modeling results from different software developers and users, and (3) compare the performance of current metrics used for evaluation of models. The focus was on near-atomic resolution maps with an innovative twist: three of four target maps formed a resolution series (1.8 to 3.1 Å) from the same specimen and imaging experiment. Tools developed in previous challenges were expanded for managing, visualizing and analyzing the 63 submitted coordinate models, and several novel metrics were introduced. The results permit specific recommendations to be made about validating near-atomic cryo-EM structures both in the context of individual laboratory experiments and holdings of structure data archives such as the Protein Data Bank. Our findings demonstrate the relatively high accuracy and reproducibility of cryo-EM models derived from these benchmark maps by 13 participating teams, representing both widely used and novel modeling approaches. We also evaluate the pros and cons of the commonly used metrics to assess model quality and recommend the adoption of multiple scoring parameters to provide full and objective annotation and assessment of the model, reflective of the observed density in the cryo-EM map.

Abstract In Gram-negative bacteria, tripartite efflux pump AcrAB-TolC plays a prominent role in antibiotic resistance. We have used high resolution cryo-ET to visualize the structure of Escherichia coli AcrAB-TolC at a 7 Å resolution in intact cells. The resulting structures show the detailed architecture of the assembled complex embedded into cell envelope. Interactions with the inner membrane enable crosstalk between AcrB and TolC through AcrA, suggesting that assembly in the native cellular environment is critical for the pump activation mechanism, where the allosteric activating signal is triggered by the alternate binding of AcrA to the lipid membrane and AcrB porter domain. We establish a platform for high resolution in situ structural studies of bacteria efflux pump, which can yield critical information in understanding complex assemblies’ function. One sentence summary A 7 Å in situ structure of the AcrAB-TolC pump from bacteria by cryo-ET reveals mechanisms for active efflux.

ABSTRACT Inositol-1,4,5-trisphosphate receptors (IP 3 Rs) are activated by IP 3 and Ca 2+ and their gating is regulated by various intracellular messengers that finely tune the channel activity. Here, using single particle cryo-EM analysis we determined 3D structures of the nanodisc-reconstituted IP 3 R1 channel in two ligand-bound states. These structures provide unprecedented details governing binding of IP 3 , Ca 2+ and ATP in IP 3 R1, revealing conformational changes that couple ligand-binding to channel opening. Using a GMM based deep learning approach and 3D variability analysis, we extracted dynamic properties of the key protein domains. From this, we find that IP 3 binding relies upon intrinsic flexibility of the cytoplasmic ARM2 domain. Our results highlight a key role of dynamic side chains surrounding the ion conduction path in regulating gating behavior of IP 3 R channels. Altogether, this work defines a structural platform for mechanistic understanding of the molecular dynamics underlying ligand-binding, activation and regulation of the IP 3 R activity.

Inositol-1,4,5-trisphosphate receptors (InsP3Rs) are cation channels that mobilize Ca2+ from intracellular stores in response to a wide range of cellular stimuli. The paradigm of InsP3R activation is the coupled interplay between binding of InsP3 and Ca2+ that switches the ion conduction pathway between closed and open states to enable the passage of Ca2+ through the channel. However, the molecular mechanism of how the receptor senses and decodes ligand-binding signals into gating motion remains unknown. Here we present the electron cryo-microscopy structure of InsP3R1 from rat cerebellum determined to 4.1 Å resolution in the presence of activating concentrations of Ca2+ and adenophostin A (AdA), a structural mimetic of InsP3 and the most potent known agonist of the channel. Comparison with the 3.9 Å-resolution structure of InsP3R1 in the Apo-state, also reported herein, reveals the binding arrangement of AdA in the tetrameric channel assembly and striking ligand-induced conformational rearrangements within cytoplasmic domains coupled to the dilation of a hydrophobic constriction at the gate. Together, our results provide critical insights into the mechanistic principles by which ligand-binding allosterically gates InsP3R channel.