In Gram-negative bacteria, the biogenesis of β-barrel outer membrane proteins is mediated by the β-barrel assembly machinery (BAM). The mechanism employed by BAM is complex and so far- incompletely understood. Here, we report the structures of BAM in nanodiscs, prepared using polar lipids and native membranes, where we observe an outward-open state. Mutations in the barrel domain of BamA reveal that plasticity in BAM is essential, particularly along the lateral seam of the barrel domain, which is further supported by molecular dynamics simulations that show conformational dynamics in BAM are modulated by the accessory proteins. We also report the structure of BAM in complex with EspP, which reveals an early folding intermediate where EspP threads from the underside of BAM and incorporates into the barrel domain of BamA, supporting a hybrid-barrel budding mechanism in which the substrate is folded into the membrane sequentially rather than as a single unit.

Homotypic interactions of viral capsid proteins are common, driving viral capsid self-formation. By taking advantage of such interactions of the norovirus shell (S) domain that naturally builds the interior shells of norovirus capsids, we have developed a technology to produce 60-valent, icosahedral S60 nanoparticles through the E. coli system. This has been achieved by several modifications to the S domain, including an R69A mutation to destruct an exposed proteinase cleavage site and triple cysteine mutations (V57C/Q58C/S136C) to establish inter-S domain disulfide bonds for enhanced inter-S domain interactions. The polyvalent S60 nanoparticle with 60 exposed S domain C-termini offers an ideal platform for antigen presentation, leading to enhanced immunogenicity to the surface-displayed antigens for vaccine development. This was proven by constructing a chimeric S60 nanoparticle displaying 60 rotavirus (RV) VP8* proteins, the major RV-neutralizing antigen. These S60-VP8* particles are easily produced and elicited high IgG response in mice toward the displayed VP8* antigens. The mouse antisera after immunization with the S60-VP8* particles exhibited high blockades against RV VP8* binding to its glycan ligands and high neutralizing activities against RV infection in culture cells. The three-dimensional structures of the S60 and S60-VP8* particles were studied. Furthermore, the S60 nanoparticle can display other antigens, supporting the notion that the S60 nanoparticle is a multifunctional vaccine platform. Finally, the intermolecular disulfide bond approach may be used to stabilize other viral-like particles to display foreign antigens for vaccine development.

Encapsulin is a class of nanocompartments that is unique in bacteria and archaea to confine enzymatic activities and sequester toxic reaction products. Here we present a 2.87 Å resolution cryo-EM structure of Thermotoga maritima encapsulin with heterologous protein complex loaded. It is the first successful case of expressing encapsulin and heterologous cargo protein in the insect cell system. Although we failed to reconstruct the cargo protein complex structure due to the signal interference of the capsid shell, we were able to observe some unique features of the cargo-loaded encapsulin shell, for example, an extra density at the fivefold pore that has not been reported before. These results would lead to a more complete understanding of the encapsulin cargo assembly process of T. maritima.

Abstract Biological structures with helical symmetries of distinct twist, rise, and axial symmetry are abundant and span a wide range of organisms and functions. Performing de novo helical indexing remains challenging because of the steep learning curve involved in Fourier space layer lines. The unknown amount of out-of-plane tilt and the existence of multiple conformations of the helices further complicate indexing. In this work, we introduce a real-space indexing method that leverages the prior knowledge of the tilt and in-plane angles of the helical filaments/tubes, robust ab initio 3D reconstruction capabilities in single particle cryo-EM to obtain asymmetric reconstructions, and automatic indexing of helical parameters directly from the asymmetric density maps. We validated this approach using data from multiple helical structures of distinct helical symmetries, diameters, flexibility, data qualities, and heterogeneous states. The fully automated tool we introduce for real space indexing, HI3D, uses the 2D lattice in the autocorrelation of the cylindrical projection of a 3D density map to identify the helical symmetry. HI3D can often successfully determine the helical parameters of a suboptimal 3D density map, including ab initio single particle asymmetric reconstructions and sub-tomogram averages, with intermediate evidence that can also help assess the map quality. Furthermore, this open-source HI3D is usable independently as a Web application that can be accessed free of installation. With these methods, de novo helical indexing will be significantly more accessible to researchers investigating structures of helical filaments/tubes using cryo-EM.

Abstract The role of abnormal brain iron metabolism in neurodegenerative diseases is still insufficiently understood. Here, we investigate the molecular basis of the neurodegenerative disease hereditary ferritinopathy (HF), in which dysregulation of brain iron homeostasis is the primary cause of neurodegeneration. We mutagenized ferritin’s three-fold pores (3FPs), i.e. the main entry route for iron, to investigate ferritin’s iron management when iron must traverse the protein shell through the disrupted four-fold pores (4FPs) generated by mutations in the ferritin light chain (FtL) gene in HF. We assessed the structure and properties of ferritins using cryo-electron microscopy and a range of functional analyses in vitro. Loss of 3FP function did not alter ferritin structure but led to a decrease in protein solubility and iron storage. Abnormal 4FPs acted as alternate routes for iron entry and exit in the absence of functional 3FPs, further reducing ferritin iron-storage capacity. Importantly, even a small number of MtFtL subunits significantly compromises ferritin solubility and function, providing a rationale for the presence of ferritin aggregates in cell types expressing different levels of FtLs in patients with HF. These findings led us to discuss whether modifying pores could be used as a pharmacological target in HF.

This dataset includes the asymmetric reconstructions of 4 helical structures (TMV, VipA/VipB, MAVS-CARD, and HIV tube) from cryo-EM images

Abstract Reproduction, development and homeostasis depend on motile cilia, whose rhythmic beating is powered by a microtubule-based molecular machine called the axoneme. Although an atomic model of the axoneme is available for the alga Chlamydomonas reinhardtii 1 , structures of mammalian axonemes are incomplete 1–5 . Furthermore, we do not fully understand how molecular structures of axonemes vary across motile-ciliated cell types in the body. Here we use cryoelectron microscopy, cryoelectron tomography and proteomics to resolve the 96-nm modular repeat of axonemal doublet microtubules (DMTs) from both sperm flagella and epithelial cilia of the oviduct, brain ventricles and respiratory tract. We find that sperm DMTs are the most specialized, with epithelial cilia having only minor differences across tissues. We build a model of the mammalian sperm DMT, defining the positions and interactions of 181 proteins including 34 newly identified proteins. We elucidate the composition of radial spoke 3 and uncover binding sites of kinases associated with regeneration of ATP and regulation of ciliary motility. We discover a sperm-specific, axoneme-tethered T-complex protein ring complex (TRiC) chaperone that may contribute to construction or maintenance of the long flagella of mammalian sperm. We resolve axonemal dyneins in their prestroke states, illuminating conformational changes that occur during ciliary movement. Our results illustrate how elements of chemical and mechanical regulation are embedded within the axoneme, providing valuable resources for understanding the aetiology of ciliopathy and infertility, and exemplifying the discovery power of modern structural biology.

Human noroviruses (HuNoVs) are a major cause of acute gastroenteritis, contributing significantly to annual foodborne illness cases. However, studying these viruses has been challenging due to limitations in tissue culture techniques for over four decades. Tulane virus (TV) has emerged as a crucial surrogate for HuNoVs due to its close resemblance in amino acid composition and the availability of a robust cell culture system. Initially isolated from rhesus macaques in 2008, TV represents a novel Calicivirus belonging to the Recovirus genus. Its significance lies in sharing the same host cell receptor, histo-blood group antigen (HBGA), as HuNoVs. In this study, we introduce, through cryo-electron microscopy (cryo-EM), the structure of a specific TV variant (the 9-6-17 TV) that has notably lost its ability to bind to its receptor, B-type HBGA—a finding confirmed using an enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA). These results offer a profound insight into the genetic modifications occurring in TV that are necessary for adaptation to cell culture environments. This research significantly contributes to advancing our understanding of the genetic changes that are pivotal to successful adaptation, shedding light on fundamental aspects of Calicivirus evolution.