The ideal fluorescent probe for bioimaging is bright, absorbs at long wavelengths and can be implemented flexibly in living cells and in vivo. However, the design of synthetic fluorophores that combine all of these properties has proved to be extremely difficult. Here, we introduce a biocompatible near-infrared silicon-rhodamine probe that can be coupled specifically to proteins using different labelling techniques. Importantly, its high permeability and fluorogenic character permit the imaging of proteins in living cells and tissues, and its brightness and photostability make it ideally suited for live-cell super-resolution microscopy. The excellent spectroscopic properties of the probe combined with its ease of use in live-cell applications make it a powerful new tool for bioimaging.

G protein-coupled receptors (GPCRs) are membrane bound signaling molecules that regulate many aspects of human physiology. Recent advances have demonstrated that GPCR signaling can occur both at the cell surface and internal cellular membranes. Our findings suggest that cannabinoid receptor 1 (CB1) signaling is highly dependent on its subcellular location. We find that intracellular CB1 receptors predominantly couple to Gαi while plasma membrane receptors couple to Gαs. Here we show subcellular location of CB1, and its signaling, is contingent on the choice of promoters and receptor tags. Heterologous expression with a strong promoter or N terminal tag resulted in CB1 predominantly localizing to the plasma membrane and signaling through Gαs. Conversely, CB1 driven by low expressing promoters and lacking N-terminal genetic tags largely localized to internal membranes and signals via Gαi. Lastly, we demonstrate that genetically encodable non-canonical amino acids (ncAA) offer a solution to the problem of non-native N-terminal tags disrupting CB1 signaling. We identified sites in CB1R and CB2R which can be tagged with fluorophores without disrupting CB signaling or trafficking using (trans-cyclooctene attached to lysine (TCO*A)) and copper-free click chemistry to attach fluorophores in live cells. Together, our data demonstrate the origin of location bias in cannabinoid signaling which can be experimentally controlled and tracked in living cells through promoters and novel CBR tagging strategies.

Abstract Based on a large-scale computational analysis of scholarly articles, this study investigates the dynamics of interdisciplinary research in the first year of the COVID-19 pandemic. Thereby, the study also analyses the reorientation effects away from other topics that receive less attention due to the high focus on the COVID-19 pandemic. The study aims to examine what can be learned from the (failing) interdisciplinarity of coronavirus research and its displacing effects for managing potential similar crises at the scientific level. To explore our research questions, we run several analyses by using the COVID-19++ dataset, which contains scholarly publications, preprints from the field of life sciences, and their referenced literature including publications from a broad scientific spectrum. Our results show the high impact and topic-wise adoption of research related to the COVID-19 crisis. Based on the similarity analysis of scientific topics, which is grounded on the concept embedding learning in the graph-structured bibliographic data, we measured the degree of interdisciplinarity of COVID-19 research in 2020. Our findings reveal a low degree of research interdisciplinarity. The publications’ reference analysis indicates the major role of clinical medicine, but also the growing importance of psychiatry and social sciences in COVID-19 research. A social network analysis shows that the authors’ high degree of centrality significantly increases her or his degree of interdisciplinarity.

ABSTRACT Secretion of insulin in response to extracellular stimuli, such as elevated glucose levels and small molecules that act on G-protein coupled receptors (GPCRs), is the hallmark of β -cell physiology. Trace amines (TAs) are small aromatic metabolites that were identified as low-abundant ligands of the trace amine-associated receptor 1 (TAAR1) in the central nervous system (CNS), a GPCR that is also expressed by pancreatic β -cells. In the present work, we identify TAs as essential autocrine signaling factors for β -cell activity and insulin secretion. We find that β -cells are producing TAs in significant amounts and that the modulation of endogenous TA levels by the selective inhibition of TA biosynthetic pathways directly translated into changes of oscillations of the intracellular Ca 2+ concentration ([Ca 2+ ] i oscillations) and insulin secretion. Selective TAAR1 agonists or inhibitors of monoamine oxidases increased [Ca 2+ ] i oscillations and insulin secretion. Opposite effects were mediated by selective TAAR1 antagonists, by recombinant monoamine oxidase action and by the inhibition of amino acid decarboxylase. As the modulation of TA biochemical pathways immediately translated into changes of [Ca 2+ ] i oscillations, we inferred high metabolic turnover rates of TAs and autocrine feedback. We found that psychotropic drugs modulate [Ca 2+ ] i oscillations and insulin secretion, either directly acting on TAAR1 or by altering endogenous TA levels. Our combined data support the hypothesis of TAs as essential autocrine signaling factors for β -cell activity and insulin secretion as well as TAAR1 as an important mediator of amine-modulated insulin secretion.

Abstract A comprehensive understanding of host dependency factors for SARS-CoV-2 remains elusive. We mapped alterations in host lipids following SARS-CoV-2 infection using nontargeted lipidomics. We found that SARS-CoV-2 rewires host lipid metabolism, altering 409 lipid species up to 64-fold relative to controls. We correlated these changes with viral protein activity by transfecting human cells with each viral protein and performing lipidomics. We found that lipid droplet plasticity is a key feature of infection and that viral propagation can be blocked by small-molecule glycerolipid biosynthesis inhibitors. We found that this inhibition was effective against the main variants of concern (alpha, beta, gamma, and delta), indicating that glycerolipid biosynthesis is a conserved host dependency factor that supports this evolving virus.

ABSTRACT ADP-ribosylation, the transfer of ADP-ribose (ADPr) from nicotinamide adenine dinucleotide (NAD + ) groups to proteins, is a conserved post-translational modification (PTM) that occurs most prominently in response to DNA damage. ADP-ribosylation is a dynamic PTM regulated by writers (PARPs), erasers (ADPr hydrolases), and readers (ADPR binders). PARP1 is the primary DNA damage-response writer responsible for adding a polymer of ADPR to proteins (PARylation). Real-time monitoring of PARP1-mediated PARylation, especially in live cells, is critical for understanding the spatial and temporal regulation of this unique PTM. Here, we describe a genetically encoded FRET probe (pARS) for semi-quantitative monitoring of PARylation dynamics. pARS feature a PAR-binding WWE domain flanked with turquoise and Venus. With a ratiometric readout and excellent signal-to-noise characteristics, we show that pARS can monitor PARP1-dependent PARylation temporally and spatially in real-time. pARS provided unique insights into PARP1-mediated PARylation kinetics in vitro and high-sensitivity detection of PARylation in live cells, even under mild DNA damage. We also show that pARS can be used to determine the potency of PARP inhibitors in vitro and, for the first time, in live cells in response to DNA damage. The robustness and ease of use of pARS make it an important tool for the PARP field.

ABSTRACT Virtually all major processes in cells and tissues are regulated by calcium ions (Ca 2+ ). Understanding the influence of Ca 2+ on cell function requires technologies that allow for non-invasive manipulation of intracellular calcium levels including the formation of calcium patterns, ideally in a way that is expandable to intact organisms. The currently existing tools for optical and optogenetic Ca 2+ manipulation are limited with respect to response time, and tissue penetration depth. Here we present G enetically E ncoded C alcium Co ntroller ( GECCO ), a system for thermogenetic Ca 2+ manipulation based on snake TRP channels optically controlled by infrared illumination. GECCO is functional in animal and plant cells and allows studying how cells decode different profiles of Ca 2+ signals. GECCO enabled the shaping of insulin release from β-cells, the identification of drugs that potentiate Ca 2+ -induced insulin release, and the generation of synthetic Ca 2+ signatures in plants.

Abstract The role of CB1/CB2 co-expression in cell signaling remains elusive. We established a simplified mammalian cell model system in which expression of CB1 or CB2 can be easily monitored under a confocal microscope. For this, we applied amber codon suppression in live cells to incorporate a single trans -cyclooctene (TCO) bearing amino acid in one of the extracellular loops of CB1 or CB2, followed by fluorescent labeling via click chemistry. We employed genetically encoded biosensors to measure the roles of CB1 and/or CB2 in regulating intracellular calcium ([Ca 2+ ] i ) and cAMP ([cAMP] i ) levels. We show that the agonist-mediated activation of tagged-CB1 or -CB2 can transiently elevate [Ca 2+ ] i levels. However, when the two receptors were co-expressed in the same cell, CB2 no longer signaled through calcium although CB1-mediated transient elevation of [Ca 2+ ] i levels was unaffected. Because of the existence of crosstalk between calcium and cAMP signaling, we measured the effects of CB1 and/or CB2 in regulating adenylate cyclase activity. We found that the expression of CB1 increased forskolin-induced [cAMP] i levels compared to non-transfected cells. Conversely, CB2 expression decreased stimulated [cAMP] i levels under the same conditions. Finally, co-expressed CB1 and CB2 receptors showed additive yet opposing effects on stimulated [cAMP] i levels. These observations suggest that co-expressed CB1/CB2 act locally as a pair in regulating cell excitability by modulating stimulated [cAMP] i levels.