Deep learning takes on protein folding In 1972, Anfinsen won a Nobel prize for demonstrating a connection between a protein’s amino acid sequence and its three-dimensional structure. Since 1994, scientists have competed in the biannual Critical Assessment of Structure Prediction (CASP) protein-folding challenge. Deep learning methods took center stage at CASP14, with DeepMind’s Alphafold2 achieving remarkable accuracy. Baek et al . explored network architectures based on the DeepMind framework. They used a three-track network to process sequence, distance, and coordinate information simultaneously and achieved accuracies approaching those of DeepMind. The method, RoseTTA fold, can solve challenging x-ray crystallography and cryo–electron microscopy modeling problems and generate accurate models of protein-protein complexes. —VV

Abstract DeepMind presented remarkably accurate protein structure predictions at the CASP14 conference. We explored network architectures incorporating related ideas and obtained the best performance with a 3-track network in which information at the 1D sequence level, the 2D distance map level, and the 3D coordinate level is successively transformed and integrated. The 3-track network produces structure predictions with accuracies approaching those of DeepMind in CASP14, enables rapid solution of challenging X-ray crystallography and cryo-EM structure modeling problems, and provides insights into the functions of proteins of currently unknown structure. The network also enables rapid generation of accurate models of protein-protein complexes from sequence information alone, short circuiting traditional approaches which require modeling of individual subunits followed by docking. We make the method available to the scientific community to speed biological research. One-Sentence Summary Accurate protein structure modeling enables rapid solution of structure determination problems and provides insights into biological function.

Interleukin (IL)-23 and IL-17 are well-validated therapeutic targets in autoinflammatory diseases. Antibodies targeting IL-23 and IL-17 have shown clinical efficacy but are limited by high costs, safety risks, lack of sustained efficacy, and poor patient convenience as they require parenteral administration. Here, we present designed miniproteins inhibiting IL-23R and IL-17 with antibody-like, low picomolar affinities at a fraction of the molecular size. The minibinders potently block cell signaling in vitro and are extremely stable, enabling oral administration and low-cost manufacturing. The orally administered IL-23R minibinder shows efficacy better than a clinical anti-IL-23 antibody in mouse colitis and has a favorable pharmacokinetics (PK) and biodistribution profile in rats. This work demonstrates that orally administered de novo-designed minibinders can reach a therapeutic target past the gut epithelial barrier. With high potency, gut stability, and straightforward manufacturability, de novo-designed minibinders are a promising modality for oral biologics.

Abstract Wnt morphogens are critical for embryonic development and tissue regeneration. Canonical Wnts form ternary receptor complexes composed of tissue-specific Frizzled receptors together with the shared LRP5/6 co-receptors to initiate β-catenin signaling. The structure of a ternary complex of an affinity-matured XWnt8-Frizzled8-LRP6 complex elucidates the basis of co-receptor discrimination by canonical Wnts by means of their N-termini and linker domains that engage the LRP6 E1E2 domain funnels. Chimeric Wnts bearing modular linker ‘grafts’ were able to transfer LRP6 domain specificity between different Wnts and enable non-canonical Wnt5a to signal through the canonical pathway. Synthetic peptides comprising the linker domain serve as Wnt-specific antagonists. The structure of the ternary complex provides a topological blueprint for the orientation and proximity of Frizzled and LRP6 within the Wnt cell surface signalosome.

Interleukin-2 (IL-2) is a small α-helical cytokine that regulates immune cell homeostasis through its recruitment to a high-affinity heterotrimeric receptor complex (IL-2Rα/IL- 2Rβ/γc). IL-2 has been shown to have therapeutic efficacy for immune diseases by preferentially expanding distinct T-cell compartments, and several Treg-biasing anti-IL-2 antibodies have been developed for combination therapies. The conformational plasticity of IL-2 plays an important role by modulating the strength of receptor and drug interactions. Through a NMR analysis of milliseconds-timescale dynamics of free mIL-2 we identify a global transition to an auto-inhibitory conformation controlled by an α-helical capping "switch". Binding to either an IL-2 mAb or a small molecule inhibitor near the AB loop induces changes in dynamics at the core of the structure, and perturbations of the capping hydrogen-bond network abrogate Ab binding by destabilizing the auto-inhibitory conformation. Our results highlight a paradigm for designing precision therapeutics targeting a continuum of IL-2 conformational states.

Maintenance of immune homeostasis to the intestinal mictrobiota is dependent on a population of effector regulatory T (eTreg) cells that develop from microbiota-reactive induced (i)Treg cells. A cardinal feature of eTreg cells is their production of IL-10, which plays a non-redundant role in immune tolerance of commensal microbes. Here, we identify an unexpected role for IL-2-induced Stat3 signaling to program iTreg cells for eTreg cell differentiation and Il10 transcriptional competency. IL-2 proved to be both necessary and sufficient for eTreg cell development - contingent on Stat3 output of the IL-2 receptor coordinate with IL-2 signaling during early Treg cell commitment. Induction of iTreg cell programming in absence of IL-2-induced Stat3 signaling resulted in impaired eTreg cell differentiation and a failure to produce IL-10. An IL-2 mutein with reduced affinity for the IL-2Rγ (γ c ) chain was found to have blunted IL-2R Stat3 output, resulting in a deficiency of Il10 transcriptional programming that could not be fully rescued by Stat3 signaling subsequent to an initial window of iTreg cell differentiation. These findings expose a heretofore unappreciated role of IL-2 signaling that acts early to program subsequent production of IL-10 by developing eTreg cells, with broad implications for IL-2-based therapeutic interventions in immune-mediated diseases.

Abstract Interleukin 27 (IL-27) is a heterodimeric cytokine that functions to constrain T cell-mediated inflammation and plays an important role in immune homeostasis. Binding of IL-27 to cell surface receptors IL-27Rα and gp130 results in activation of receptor-associated Janus Kinases and nuclear translocation of STAT1 and STAT3 transcription factors. Despite the emerging therapeutic importance of this cytokine axis in cancer and autoimmunity, a molecular blueprint of the IL-27 receptor signaling complex, and its relation to other gp130/IL-12 family cytokines, is currently unclear. We used cryogenic-electron microscopy (cryo-EM) to determine the quaternary structure of IL-27 (p28/Ebi3) bound to receptor subunits, IL-27Rα and gp130. The resulting 3.47 Å resolution structure revealed a three-site assembly mechanism nucleated by the central p28 subunit of the cytokine. The overall topology and molecular details of this binding are reminiscent of IL-6 but distinct from related heterodimeric cytokines IL-12 and IL-23. These results indicate distinct receptor assembly mechanisms used by heterodimeric cytokines with important consequences for targeted agonism and antagonism of IL-27 signaling.