SUMMARY Neuropeptides are key signaling molecules in the endocrine and nervous systems that regulate many critical physiological processes, including energy balance, sleep and circadian rhythms, stress, and social behaviors. Understanding the functions of neuropeptides in vivo requires the ability to monitor their dynamics with high specificity, sensitivity, and spatiotemporal resolution; however, this has been hindered by the lack of direct, sensitive and non-invasive tools. Here, we developed a series of GRAB ( G protein-coupled r eceptor a ctivation‒ b ased) sensors for detecting somatostatin (SST), cholecystokinin (CCK), corticotropin-releasing factor (CRF), neuropeptide Y (NPY), neurotensin (NTS), and vasoactive intestinal peptide (VIP). These fluorescent sensors utilize the corresponding GPCRs as the neuropeptide-sensing module with the insertion of a circular-permutated GFP as the optical reporter. This design detects the binding of specific neuropeptides at nanomolar concentration with a robust increase in fluorescence. We used these GRAB neuropeptide sensors to measure the spatiotemporal dynamics of endogenous SST release in isolated pancreatic islets and to detect the release of both CCK and CRF in acute brain slices. Moreover, we detect endogenous CRF release induced by stressful experiences in vivo using fiber photometry and 2-photon imaging in mice. Together, these new sensors establish a robust toolkit for studying the release, function, and regulation of neuropeptides under both physiological and pathophysiological conditions.

Abstract The serotonergic system plays important roles in both physiological and pathological processes, and is a widely used therapeutic target for many psychiatric disorders. Although several genetically encoded GFP-based serotonin (5-HT) sensors were recently developed, their sensitivities and spectral profiles are relatively limited. To overcome these limitations, we optimized green fluorescent G-protein-coupled receptor (GPCR)-activation-based 5-HT (GRAB 5-HT ) sensors and developed a new red fluorescent GRAB 5-HT sensor. These sensors have excellent cell surface trafficking, high specificity, sensitivity, and spatiotemporal resolution, making them suitable for monitoring 5-HT dynamics in vivo . Besides recording subcortical 5-HT release in freely moving mice, we observed both uniform and gradient 5-HT release in the mouse dorsal cortex with mesoscopic imaging. Finally, we performed dual-color imaging and observed seizure-induced waves of 5-HT release throughout the cortex following calcium and endocannabinoid waves. In summary, these 5-HT sensors can offer valuable insights regarding the serotonergic system in both physiological and pathological states.

ABSTRACT Artificial intelligence (AI)-driven discovery of antimicrobial peptides (AMPs) is yet to fully utilise their three-dimensional (3D) structural characteristics, microbial specie-specific antimicrobial activities and mechanisms. Here, we constructed a QLAPD database comprising the sequence, structures and antimicrobial properties of 12,914 AMPs. QLAPD underlies a multimodal, multitask, multilabel, and conditionally controlled AMP discovery (M3-CAD) pipeline, which is proposed for the de novo design of multi-mechanism AMPs to combat multidrug-resistant organisms (MDROs). This pipeline integrates the generation, regression, and classification modules, using a innovative 3D voxel coloring method to capture the nuanced physicochemical context of amino acids, significantly enhancing structural characterizations. QL-AMP-1, discovered by M3-CAD, which possesses four antimicrobial mechanisms, exhibited low toxicity and significant activity against MDROs. The skin wound infection model demonstrates its considerable antimicrobial effects and negligible toxicity. Altogether, integrating 3D features, specie-specific antimicrobial activities and mechanisms enhanced AI-driven AMP discovery, making the M3-CAD pipeline a viable tool for de novo AMP design.