Nanobodies that neutralize Monoclonal antibodies that bind to the spike protein of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) show therapeutic promise but must be produced in mammalian cells and need to be delivered intravenously. By contrast, single-domain antibodies called nanobodies can be produced in bacteria or yeast, and their stability may enable aerosol delivery. Two papers now report nanobodies that bind tightly to spike and efficiently neutralize SARS-CoV-2 in cells. Schoof et al. screened a yeast surface display of synthetic nanobodies and Xiang et al. screened anti-spike nanobodies produced by a llama. Both groups identified highly potent nanobodies that lock the spike protein in an inactive conformation. Multivalent constructs of selected nanobodies achieved even more potent neutralization. Science , this issue p. 1473 , p. 1479

In addition to the popular method of fluorescent protein fusion, live cell protein imaging has now seen more and more application of epitope tags. The small size of these tags may reduce functional perturbation and enable signal amplification. To address their background issue, we adapt self-complementing split fluorescent proteins as epitope tags for live cell protein labelling. The two tags, GFP11 and sfCherry11 are derived from the eleventh β-strand of super-folder GFP and sfCherry, respectively. The small size of FP11-tags enables a cost-effective and scalable way to insert them into endogenous genomic loci via CRISPR-mediated homology-directed repair. Tandem arrangement FP11-tags allows proportional enhancement of fluorescence signal in tracking intraflagellar transport particles, or reduction of photobleaching for live microtubule imaging. Finally, we show the utility of tandem GFP11-tag in scaffolding protein oligomerization. These experiments illustrate the versatility of FP11-tag as a labelling tool as well as a multimerization-control tool for both imaging and non-imaging applications.

Without an effective prophylactic solution, infections from SARS-CoV-2 continue to rise worldwide with devastating health and economic costs. SARS-CoV-2 gains entry into host cells via an interaction between its Spike protein and the host cell receptor angiotensin converting enzyme 2 (ACE2). Disruption of this interaction confers potent neutralization of viral entry, providing an avenue for vaccine design and for therapeutic antibodies. Here, we develop single-domain antibodies (nanobodies) that potently disrupt the interaction between the SARS-CoV-2 Spike and ACE2. By screening a yeast surface-displayed library of synthetic nanobody sequences, we identified a panel of nanobodies that bind to multiple epitopes on Spike and block ACE2 interaction via two distinct mechanisms. Cryogenic electron microscopy (cryo-EM) revealed that one exceptionally stable nanobody, Nb6, binds Spike in a fully inactive conformation with its receptor binding domains (RBDs) locked into their inaccessible down-state, incapable of binding ACE2. Affinity maturation and structure-guided design of multivalency yielded a trivalent nanobody, mNb6-tri, with femtomolar affinity for SARS-CoV-2 Spike and picomolar neutralization of SARS-CoV-2 infection. mNb6-tri retains stability and function after aerosolization, lyophilization, and heat treatment. These properties may enable aerosol-mediated delivery of this potent neutralizer directly to the airway epithelia, promising to yield a widely deployable, patient-friendly prophylactic and/or early infection therapeutic agent to stem the worst pandemic in a century.

Summary Binding of arrestin to phosphorylated G protein-coupled receptors (GPCRs) is crucial for modulating signaling. Once internalized some GPCRs may complex with arrestin, while others interact transiently; this difference affects receptor signaling and recycling. Cell-based and in vitro biophysical assays reveal the role of membrane phosphoinositides (PIPs) in arrestin recruitment and GPCR-arrestin complex dynamics. We find that GPCRs broadly stratify into two groups, one requiring PIP-binding for arrestin recruitment and one that does not. Plasma membrane PIPs potentiate an active conformation of arrestin and stabilize GPCR-arrestin complexes by promoting a receptor core-engaged state of the complex. As allosteric modulators of GPCR-arrestin complex dynamics, membrane PIPs allow for additional conformational diversity beyond that imposed by GPCR phosphorylation alone. The dependance on membrane PIPs provides a mechanism for arrestin release from transiently associated GPCRs, allowing their rapid recycling, while explaining how stably associated GPCRs are able to engage G proteins at endosomes.

cGMP is a ubiquitous second messenger that plays a role in sensory signaling and plasticity through its regulation of ion channels and kinases. Previous studies that primarily used genetic and biochemical tools suggest that cGMP is spatiotemporally regulated in multiple sensory modalities, including light, heat, gases, salt and odor. FRET- and GFP-based cGMP sensors were developed to visualize cGMP in primary cell culture and Caenorhabditis elegans to corroborate these findings. While a FRET-based sensor has been used in an intact animal to visualize cGMP, the requirement of a multiple emission system limits its ability to be used on its own as well as with other sensors and fluorescent markers. Here, we demonstrate that WincG2, a codon-optimized version of the cpEGFP-based cGMP sensor FlincG3, can be used in C. elegans to visualize rapidly changing cGMP levels in living, behaving animals using a single fluorophore. We coexpressed the sensor with the blue light-activated guanylyl cyclases BeCyclOp and bPGC in body wall muscles and found that the rate of WincG2 fluorescence correlated with the rate of cGMP production by each cyclase. Furthermore, we show that WincG2 responds linearly upon NaCl concentration changes and SDS presentation in the cell bodies of the gustatory neuron ASER and the nociceptive phasmid neuron PHB, respectively. Intriguingly, WincG2 fluorescence in the ASER cell body decreased in response to a NaCl concentration downstep and either stopped decreasing or increased in response to a NaCl concentration upstep, which is opposite in sign to previously published calcium recordings. These results illustrate that WincG2 can be used to report rapidly changing cGMP levels in an intact animal and that the reporter can potentially reveal unexpected spatiotemporal landscapes of cGMP in response to stimuli.

Abstract β-arrestins are master regulators of cellular signaling that operate by desensitizing ligand-activated G protein-coupled receptors (GPCRs) at the plasma membrane and promoting their subsequent endocytosis. The endocytic activity of β-arrestins is ligand-dependent, triggered by GPCR binding, and increasingly recognized to have a multitude of downstream signaling and trafficking consequences that are specifically programmed by the bound GPCR. However, only one biochemical ‘mode’ for GPCR-mediated triggering of the endocytic activity is presently known– displacement of the β-arrestin C-terminus (CT) to expose CCP-binding determinants that are masked in the inactive state. Here we revise this view by uncovering a second mode of GPCR-triggered endocytic activity that is independent of the β-arrestin CT and, instead, requires the cytosolic base of the β-arrestin C-lobe (CLB). We further show each of the discrete endocytic modes is triggered in a receptor-specific manner, with GPCRs that bind β-arrestin transiently (‘class A’) primarily triggering the CLB-dependent mode and GPCRs that bind more stably (‘class B’) triggering both the CT and CLB-dependent modes in combination. Moreover, we show that each mode has opposing effects on the net signaling output of receptors– with the CLB-dependent mode promoting rapid signal desensitization and the CT-dependent mode enabling prolonged signaling. Together, these results fundamentally revise understanding of how β-arrestins operate as efficient endocytic adaptors while facilitating diversity and flexibility in the control of cell signaling.