Abstract Membrane proteins play numerous physiological roles and are thus of tremendous interest in pharmacology. Nevertheless, stable and homogeneous sample preparation is one of the bottlenecks in biophysical and pharmacological studies of membrane proteins because membrane proteins are typically unstable and poorly expressed. To overcome such obstacles, GFP fusion-based Fluorescence-detection Size-Exclusion Chromatography (FSEC) has been widely employed for membrane protein expression screening for over a decade. However, fused GFP itself may occasionally affect the expression and/or stability of the targeted membrane protein, leading to both false-positive and false-negative results in expression screening. Furthermore, GFP fusion technology is not well suited for some membrane proteins depending on their membrane topology. Here, we developed an FSEC assay utilizing nanobody (Nb) technology, named FSEC-Nb, in which targeted membrane proteins are fused to a small peptide tag and recombinantly expressed. The whole-cell extracts are solubilized, mixed with anti-peptide Nb fused to GFP and applied to a size-exclusion chromatography column attached to a fluorescence detector for FSEC analysis. FSEC-Nb enables one to evaluate the expression, monodispersity and thermostability of membrane proteins without the need of purification by utilizing the benefits of the GFP fusion-based FSEC method, but does not require direct GFP fusion to targeted proteins. We applied FSEC-Nb to screen zinc-activated ion channel (ZAC) family proteins in the Cys-loop superfamily and membrane proteins from SARS-CoV-2 as examples of the practical application of FSEC-Nb. We successfully identified a ZAC ortholog with high monodispersity but moderate expression levels that could not be identified with the previously developed GFP fusion-free FSEC method. Consistent with the results of FSEC-Nb screening, the purified ZAC ortholog showed monodispersed particles by both negative staining EM and cryo-EM. Furthermore, we identified two membrane proteins from SARS-CoV-2 with high monodispersity and expression level by FSEC-Nb, which may facilitate structural and functional studies of SARS-CoV-2. Overall, our results show FSEC-Nb as a powerful tool for membrane protein expression screening that can provide further opportunity to prepare well-behaved membrane proteins for structural and functional studies.

Abstract In the cerebral cortex, the vasculature plays important homeostatic functions, especially at the highly connected complex capillary networks. The association of focal capillary ischemia with the neurodegenerative disease as well as the laminar vascular dynamics have prompted studies of vascular micro-occlusion via photothrombosis. However, technical challenges of this approach remain, including increased temporal precision of occlusion, increasing the depth of vascular occlusion, understanding how such micro-occlusion impacts local blood flow, and ultimately the neuronal effects of such changes. Here, we have developed a novel approach that employs ultra-fast multiphoton light to induce focal Rose Bengal-induced photothrombosis. We demonstrated induction of highly precise and fast occlusion of microvessels at various types and depths. The change of the microvascular architecture and hemodynamics after occlusion revealed the autoregulation and significant difference between upstream vs downstream in layer 2/3. Further, we found that micro-occlusion at two different layers within the same vascular arbor results in distinct effects on the acute flow redistribution mechanism. To examine neuronal effects of such micro-occlusion, we produced infarct of capillaries surrounding a labeled target neuron and found this induces dramatic and rapid lamina-specific degeneration in neuronal dendritic architecture. In sum, our technique enhanced the precision and power of the photothrombotic study of microvascular function. The current results pointed to the importance of laminar scale regulation within the microvascular network, a finding which may be relevant for models of neurovascular disease.

Drug repositioning presents a streamlined and cost-efficient way to expand the range of therapeutic possibilities. Furthermore, drugs with genetic evidence are more likely to progress successfully through clinical trials towards FDA approval. Exploiting these developments, single gene-based drug repositioning methods have been implemented, but approaches leveraging the entire spectrum of molecular signatures are critically underexplored. Most multi-gene-based approaches rely on differential gene expression (DGE) analysis, which is prone to identify the molecular consequence of disease and renders causal inference challenging. We propose a framework TReD (Transcriptome-informed Reversal Distance) that integrates population-level disease signatures robust to reverse causality and cell-based drug-induced transcriptome response profiles. TReD embeds the disease signature and drug profile in a high-dimensional normed space, quantifying the reversal potential of candidate drugs in a disease-related cell screen assay. The robustness is ensured by evaluation in additional cell screens. For an application, we implement the framework to identify potential drugs against COVID-19. Taking transcriptome-wide association study (TWAS) results from four relevant tissues and three DGE results as disease features, we identify 37 drugs showing potential reversal roles in at least four of the seven disease signatures. Notably, over 70% (27/37) of the drugs have been linked to COVID-19 from other studies, and among them, eight drugs are supported by ongoing/completed clinical trials. For example, TReD identifies the well-studied JAK1/JAK2 inhibitor baricitinib, the first FDA-approved immunomodulatory treatment for COVID-19. Novel potential candidates, including enzastaurin, a selective inhibitor of PKC-beta which can be activated by SARS-CoV-2, are also identified. In summary, we propose a comprehensive genetics-anchored framework integrating population-level signatures and cell-based screens that can accelerate the search for new therapeutic strategies.

Abstract Significance Pulsed infrared neural stimulation (INS, 1875 nm) is an emerging neurostimulation technology that delivers focal pulsed heat to activate functionally specific mesoscale networks and holds promise for clinical application. However, little is known about its effect on excitatory and inhibitory cell types in cerebral cortex. Aim Estimates of summed population neuronal response timecourses provide a potential basis for neural and hemodynamic signals described in other studies. Approach Using two-photon calcium imaging in mouse somatosensory cortex, we have examined the effect of INS pulse train application on hSyn neurons and mDlx neurons tagged with GCaMP6s. Results We find that, in anesthetized mice, each INS pulse train reliably induces robust response in hSyn neurons exhibiting positive going responses. Surprisingly, mDlx neurons exhibit negative going responses. Quantification using the index of correlation illustrates responses are reproducible, intensity-dependent, and distance-dependent. Also, a contralateral activation is observed when INS application. Conclusions In sum, the population of neurons stimulated by INS includes both hSyn and mDlx neurons; within a range of stimulation intensities, this leads to overall excitation in the stimulated population, leading to the previously observed activations at distant post-synaptic sites.

Abstract The cerebrovasculature plays an essential role in neurovascular and homeostatic functions in health and disease conditions. Many efforts have been made for developing vascular thrombosis methods to study vascular dysfunction in vivo , while technical challenges remain, such as accuracy and depth-selectivity to target single vessel in the cerebral cortex. Herein, we first demonstrates the evaluation and quantification of the feasibility and effects of Rose Bengal (RB)-induced photothrombosis with 720-1070 nm ultrafast lasers in raster scan. A flexible and reproducible approach is then proposed to employ a 1070 nm ultrafast laser with spiral scan for producing RB-induced occlusion, which is described as precision ultrafast laser-induced photothrombosis (PLP). Combine with two-photon microscopy imaging, this PLP displays highly precise and fast occlusion induction of various vessel types, sizes, and depths, which enhances the precision and power of the photothrombosis protocol. Overall, the PLP method provides a real-time, practical, precise, and depth-selected single-vessel photothrombosis technology in cerebral cortex with commercially available optical equipment, which is crucial for exploring brain vascular function with high spatial temporal resolution in brain.