The ability to perturb genes in human cells is crucial for elucidating gene function and holds great potential for finding therapeutic targets for diseases such as cancer. To extend the catalog of human core and context-dependent fitness genes, we have developed a high-complexity second-generation genome-scale CRISPR-Cas9 gRNA library and applied it to fitness screens in five human cell lines. Using an improved Bayesian analytical approach, we consistently discover 5-fold more fitness genes than were previously observed. We present a list of 1,580 human core fitness genes and describe their general properties. Moreover, we demonstrate that context-dependent fitness genes accurately recapitulate pathway-specific genetic vulnerabilities induced by known oncogenes and reveal cell-type-specific dependencies for specific receptor tyrosine kinases, even in oncogenic KRAS backgrounds. Thus, rigorous identification of human cell line fitness genes using a high-complexity CRISPR-Cas9 library affords a high-resolution view of the genetic vulnerabilities of a cell.

Posttranslational modification of proteins with polyubiquitin occurs in diverse signaling pathways and is tightly regulated to ensure cellular homeostasis. Studies employing ubiquitin mutants suggest that the fate of polyubiquitinated proteins is determined by which lysine within ubiquitin is linked to the C terminus of an adjacent ubiquitin. We have developed linkage-specific antibodies that recognize polyubiquitin chains joined through lysine 63 (K63) or 48 (K48). A cocrystal structure of an anti-K63 linkage Fab bound to K63-linked diubiquitin provides insight into the molecular basis for specificity. We use these antibodies to demonstrate that RIP1, which is essential for tumor necrosis factor-induced NF-kappaB activation, and IRAK1, which participates in signaling by interleukin-1beta and Toll-like receptors, both undergo polyubiquitin editing in stimulated cells. Both kinase adaptors initially acquire K63-linked polyubiquitin, while at later times K48-linked polyubiquitin targets them for proteasomal degradation. Polyubiquitin editing may therefore be a general mechanism for attenuating innate immune signaling.

In vitro display technologies, best exemplified by phage and yeast display, were first described for the selection of antibodies some 20 years ago. Since then, many antibodies have been selected and improved upon using these methods. Although it is not widely recognized, many of the antibodies derived using in vitro display methods have properties that would be extremely difficult, if not impossible, to obtain by immunizing animals. The first antibodies derived using in vitro display methods are now in the clinic, with many more waiting in the wings. Unlike immunization, in vitro display permits the use of defined selection conditions and provides immediate availability of the sequence encoding the antibody. The amenability of in vitro display to high-throughput applications broadens the prospects for their wider use in basic and applied research.

Single-particle electron microscopy and hydrogen–deuterium exchange mass spectrometry are used to characterize the structure and dynamics of a G-protein-coupled receptor–arrestin complex. Much has been learned about the structure of G-protein-coupled receptors (GCPRs) over the past seven years, but we still don't know what an activated GPCR looks like when it is bound to a β-arrestin. (Arrestins are cellular mediators with a broad range of functions, many of them involving GPCRs.) In this study the authors use single-particle electron microscopy and hydrogen–deuterium exchange mass spectrometry to characterize the structure and dynamics of a GPCR–arrestin complex. Their data support a 'biphasic' mechanism, in which the arrestin initially interacts with the phosphorylated carboxy terminus of the GPCR before re-arranging to more fully engage the membrane protein in a signalling-competent conformation. G-protein-coupled receptors (GPCRs) are critically regulated by β-arrestins, which not only desensitize G-protein signalling but also initiate a G-protein-independent wave of signalling1,2,3,4,5. A recent surge of structural data on a number of GPCRs, including the β2 adrenergic receptor (β2AR)–G-protein complex, has provided novel insights into the structural basis of receptor activation6,7,8,9,10,11. However, complementary information has been lacking on the recruitment of β-arrestins to activated GPCRs, primarily owing to challenges in obtaining stable receptor–β-arrestin complexes for structural studies. Here we devised a strategy for forming and purifying a functional human β2AR–β-arrestin-1 complex that allowed us to visualize its architecture by single-particle negative-stain electron microscopy and to characterize the interactions between β2AR and β-arrestin 1 using hydrogen–deuterium exchange mass spectrometry (HDX-MS) and chemical crosslinking. Electron microscopy two-dimensional averages and three-dimensional reconstructions reveal bimodal binding of β-arrestin 1 to the β2AR, involving two separate sets of interactions, one with the phosphorylated carboxy terminus of the receptor and the other with its seven-transmembrane core. Areas of reduced HDX together with identification of crosslinked residues suggest engagement of the finger loop of β-arrestin 1 with the seven-transmembrane core of the receptor. In contrast, focal areas of raised HDX levels indicate regions of increased dynamics in both the N and C domains of β-arrestin 1 when coupled to the β2AR. A molecular model of the β2AR–β-arrestin signalling complex was made by docking activated β-arrestin 1 and β2AR crystal structures into the electron microscopy map densities with constraints provided by HDX-MS and crosslinking, allowing us to obtain valuable insights into the overall architecture of a receptor–arrestin complex. The dynamic and structural information presented here provides a framework for better understanding the basis of GPCR regulation by arrestins.

PDZ domains are protein–protein interaction modules that recognize specific C-terminal sequences to assemble protein complexes in multicellular organisms. By scanning billions of random peptides, we accurately map binding specificity for approximately half of the over 330 PDZ domains in the human and Caenorhabditis elegans proteomes. The domains recognize features of the last seven ligand positions, and we find 16 distinct specificity classes conserved from worm to human, significantly extending the canonical two-class system based on position −2. Thus, most PDZ domains are not promiscuous, but rather are fine-tuned for specific interactions. Specificity profiling of 91 point mutants of a model PDZ domain reveals that the binding site is highly robust, as all mutants were able to recognize C-terminal peptides. However, many mutations altered specificity for ligand positions both close and far from the mutated position, suggesting that binding specificity can evolve rapidly under mutational pressure. Our specificity map enables the prediction and prioritization of natural protein interactions, which can be used to guide PDZ domain cell biology experiments. Using this approach, we predicted and validated several viral ligands for the PDZ domains of the SCRIB polarity protein. These findings indicate that many viruses produce PDZ ligands that disrupt host protein complexes for their own benefit, and that highly pathogenic strains target PDZ domains involved in cell polarity and growth.

Antibody-based interventions against SARS-CoV-2 could limit morbidity, mortality, and possibly transmission. An anticipated correlate of such countermeasures is the level of neutralizing antibodies against the SARS-CoV-2 spike protein, which engages with host ACE2 receptor for entry. Using an infectious molecular clone of vesicular stomatitis virus (VSV) expressing eGFP as a marker of infection, we replaced the glycoprotein gene (G) with the spike protein of SARS-CoV-2 (VSV-eGFP-SARS-CoV-2) and developed a high-throughput-imaging-based neutralization assay at biosafety level 2. We also developed a focus-reduction neutralization test with a clinical isolate of SARS-CoV-2 at biosafety level 3. Comparing the neutralizing activities of various antibodies and ACE2-Fc soluble decoy protein in both assays revealed a high degree of concordance. These assays will help define correlates of protection for antibody-based countermeasures and vaccines against SARS-CoV-2. Additionally, replication-competent VSV-eGFP-SARS-CoV-2 provides a tool for testing inhibitors of SARS-CoV-2 mediated entry under reduced biosafety containment.

We have previously established a minimalist approach to antibody engineering by using a phage-displayed framework to support complementarity determining region (CDR) diversity restricted to a binary code of tyrosine and serine. Here, we systematically augmented the original binary library with additional levels of diversity and examined the effects. The diversity of the simplest library, in which only heavy chain CDR positions were randomized by the binary code, was expanded in a stepwise manner by adding diversity to the light chain, by diversifying non-paratope residues that may influence CDR conformations, and by adding additional chemical diversity to CDR-H3. The additional diversity incrementally improved the affinities of antibodies raised against human vascular endoethelial growth factor and the structure of an antibody–antigen complex showed that tyrosine side-chains are sufficient to mediate most of the interactions with antigen, but a glycine residue in CDR-H3 was critical for providing a conformation suitable for high-affinity binding. Using new high-throughput procedures and the most complex library, we produced multiple high-affinity antibodies with dissociation constants in the single-digit nanomolar range against a wide variety of protein antigens. Thus, this fully synthetic, minimalist library has essentially recapitulated the capacity of the natural immune system to generate high-affinity antibodies. Libraries of this type should be highly useful for proteomic applications, as they minimize inherent complexities of natural antibodies that have hindered the establishment of high-throughput procedures. Furthermore, analysis of a large number of antibodies derived from these well-defined and simplistic libraries allowed us to uncover statistically significant trends in CDR sequences, which provide valuable insights into antibody library design and into factors governing protein–protein interactions.

Treatment of solid cancers with chimeric antigen receptor (CAR) T cells is plagued by the lack of ideal target antigens that are both absolutely tumor specific and homogeneously expressed. We show that multi-antigen prime-and-kill recognition circuits provide flexibility and precision to overcome these challenges in the context of glioblastoma. A synNotch receptor that recognizes a specific priming antigen, such as the heterogeneous but tumor-specific glioblastoma neoantigen epidermal growth factor receptor splice variant III (EGFRvIII) or the central nervous system (CNS) tissue-specific antigen myelin oligodendrocyte glycoprotein (MOG), can be used to locally induce expression of a CAR. This enables thorough but controlled tumor cell killing by targeting antigens that are homogeneous but not absolutely tumor specific. Moreover, synNotch-regulated CAR expression averts tonic signaling and exhaustion, maintaining a higher fraction of the T cells in a naïve/stem cell memory state. In immunodeficient mice bearing intracerebral patient-derived xenografts (PDXs) with heterogeneous expression of EGFRvIII, a single intravenous infusion of EGFRvIII synNotch-CAR T cells demonstrated higher antitumor efficacy and T cell durability than conventional constitutively expressed CAR T cells, without off-tumor killing. T cells transduced with a synNotch-CAR circuit primed by the CNS-specific antigen MOG also exhibited precise and potent control of intracerebral PDX without evidence of priming outside of the brain. In summary, by using circuits that integrate recognition of multiple imperfect but complementary antigens, we improve the specificity, completeness, and persistence of T cells directed against glioblastoma, providing a general recognition strategy applicable to other solid tumors.

Modifying Deubiquitinases Protein ubiquitination is a widespread mechanism for cellular regulation, and new regulators are valuable research tools and may help to generate therapeutic small molecules. Ernst et al. (p. 590 , published online 3 January) used known crystal structures to roughly define the interaction domain between a ubiquitin-specific protease and a ubiquitinated substrate and then screened ubiquitin variants with changes in these residues to find variants that acted as potent and specific regulators that could modify ubiquitin pathway regulation in cells.