Herpes simplex virus, a DNA virus of high complexity, consists of a nucleocapsid surrounded by the tegument—a protein compartment—and the envelope. The latter components, essential for infectivity, are pleiomorphic. Visualized in cryo–electron tomograms of isolated virions, the tegument was seen to form an asymmetric cap: On one side, the capsid closely approached the envelope; on the other side, they were separated by ∼35 nanometers of tegument. The tegument substructure was particulate, with some short actin-like filaments. The envelope contained 600 to 750 glycoprotein spikes that varied in length, spacing, and in the angles at which they emerge from the membrane. Their distribution was nonrandom, suggesting functional clustering.

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.

Abstract

 The Escherichia coli host factor I, Hfq, binds to many small regulatory RNAs and is required for OxyS RNA repression of fhlA and rpoS mRNA translation. Here we report that Hfq is a bacterial homolog of the Sm and Sm-like proteins integral to RNA processing and mRNA degradation complexes in eukaryotic cells. Hfq exhibits the hallmark features of Sm and Sm-like proteins: the Sm1 sequence motif, a multisubunit ring structure (in this case a homomeric hexamer), and preferential binding to polyU. We also show that Hfq increases the OxyS RNA interaction with its target messages and propose that the enhancement of RNA-RNA pairing may be a general function of Hfq, Sm, and Sm-like proteins.

Influenza virus remains a global health threat, with millions of infections annually and the impending threat that a strain of avian influenza may develop into a human pandemic. Despite its importance as a pathogen, little is known about the virus structure, in part because of its intrinsic structural variability (pleiomorphy): the primary distinction is between spherical and elongated particles, but both vary in size. Pleiomorphy has thwarted structural analysis by image reconstruction of electron micrographs based on averaging many identical particles. In this study, we used cryoelectron tomography to visualize the 3D structures of 110 individual virions of the X-31 (H3N2) strain of influenza A. The tomograms distinguish two kinds of glycoprotein spikes [hemagglutinin (HA) and neuraminidase (NA)] in the viral envelope, resolve the matrix protein layer lining the envelope, and depict internal configurations of ribonucleoprotein (RNP) complexes. They also reveal the stems that link the glycoprotein ectodomains to the membrane and interactions among the glycoproteins, the matrix, and the RNPs that presumably control the budding of nascent virions from host cells. Five classes of virions, four spherical and one elongated, are distinguished by features of their matrix layer and RNP organization. Some virions have substantial gaps in their matrix layer (“molecular fontanels”), and others appear to lack a matrix layer entirely, suggesting the existence of an alternative budding pathway in which matrix protein is minimally involved.

During epidermal cell cornification, the deposition of a layer of covalently cross-linked protein on the cytoplasmic face of the plasma membrane forms the cell envelope. We have isolated and characterized cDNA clones encoding a major differentiation product of mouse epidermal cells, which has an amino acid composition similar to that of purified cell envelopes. Transcripts of this gene are restricted to the granular layer and are as abundant as the differentation-specific keratins, K1 and K10. An antiserum against a C-terminal peptide localizes this protein in discrete granules in the stratum granulosum and subsequently at the periphery of stratum corneum cells. Immunofluorescence and immunoelectron microscopy detect this epitope only on the inner surface of purified cell envelopes. Taken together, these results suggest that it is a major component of cell envelopes. On the basis of its presumed function, this protein is named loricrin.

The resolution of density maps from single particle analysis is usually measured in terms of the highest spatial frequency to which consistent information has been obtained. This calculation represents an average over the entire reconstructed volume. In practice, however, substantial local variations in resolution may occur, either from intrinsic properties of the specimen or for technical reasons such as a non-isotropic distribution of viewing orientations. To address this issue, we propose the use of a space–frequency representation, the short-space Fourier transform, to assess the quality of a density map, voxel-by-voxel, i.e. by local resolution mapping. In this approach, the experimental volume is divided into small subvolumes and the resolution determined for each of them. It is illustrated in applications both to model data and to experimental density maps. Regions with lower-than-average resolution may be mobile components or ones with incomplete occupancy or result from multiple conformational states. To improve the interpretability of reconstructions, we propose an adaptive filtering approach that reconciles the resolution to which individual features are calculated with the results of the local resolution map.

ABSTRACT Papillomaviruses are a family of nonenveloped DNA tumor viruses. Some sexually transmitted human papillomavirus (HPV) types, including HPV type 16 (HPV16), cause cancer of the uterine cervix. Papillomaviruses encode two capsid proteins, L1 and L2. The major capsid protein, L1, can assemble spontaneously into a 72-pentamer icosahedral structure that closely resembles native virions. Although the minor capsid protein, L2, is not required for capsid formation, it is thought to participate in encapsidation of the viral genome and plays a number of essential roles in the viral infectious entry pathway. The abundance of L2 and its arrangement within the virion remain unclear. To address these questions, we developed methods for serial propagation of infectious HPV16 capsids (pseudoviruses) in cultured human cell lines. Biochemical analysis of capsid preparations produced using various methods showed that up to 72 molecules of L2 can be incorporated per capsid. Cryoelectron microscopy and image reconstruction analysis of purified capsids revealed an icosahedrally ordered L2-specific density beneath the axial lumen of each L1 capsomer. The relatively close proximity of these L2 density buttons to one another raised the possibility of homotypic L2 interactions within assembled virions. The concept that the N and C termini of neighboring L2 molecules can be closely apposed within the capsid was supported using bimolecular fluorescence complementation or “split GFP” technology. This structural information should facilitate investigation of L2 function during the assembly and entry phases of the papillomavirus life cycle.

Synucleins and apolipoproteins have been implicated in a number of membrane and lipid trafficking events. Lipid interaction for both types of proteins is mediated by 11 amino acid repeats that form amphipathic helices. This similarity suggests that synucleins and apolipoproteins might have comparable effects on lipid membranes, but this has not been shown directly. Here, we find that α-synuclein, β-synuclein, and apolipoprotein A-1 have the conserved functional ability to induce membrane curvature and to convert large vesicles into highly curved membrane tubules and vesicles. The resulting structures are morphologically similar to those generated by amphiphysin, a curvature-inducing protein involved in endocytosis. Unlike amphiphysin, however, synucleins and apolipoproteins do not require any scaffolding domains and curvature induction is mediated by the membrane insertion and wedging of amphipathic helices alone. Moreover, we frequently observed that α-synuclein caused membrane structures that had the appearance of nascent budding vesicles. The ability to function as a minimal machinery for vesicle budding agrees well with recent findings that α-synuclein plays a role in vesicle trafficking and enhances endocytosis. Induction of membrane curvature must be under strict regulation in vivo; however, as we find it can also cause disruption of membrane integrity. Because the degree of membrane curvature induction depends on the concerted action of multiple proteins, controlling the local protein density of tubulating proteins may be important. How cellular safeguarding mechanisms prevent such potentially toxic events and whether they go awry in disease remains to be determined.