Abstract Vision is initiated by the rhodopsin family of light-sensitive G protein-coupled receptors (GPCRs). A photon is absorbed by the 11- cis retinal chromophore of rhodopsin which isomerises within 200 femtoseconds to the all- trans conformation, thereby initiating the cellular signal transduction processes that ultimately lead to vision. However, the intramolecular mechanism by which the photoactivated retinal induces the activation events inside rhodopsin remains elusive. In this work, we use ultrafast time-resolved crystallography at room temperature to determine how an isomerised twisted all-trans retinal stores the photon energy required to initiate protein conformational changes associated with the formation of the G protein-binding signalling state. The distorted retinal at 1 ps time-delay of photoactivation has pulled away from half of its numerous interactions with its binding pocket, and the excess of the photon energy is released through an anisotropic protein breathing motion in the direction of the extracellular space. Strikingly, the very early structural motions in the protein side chains of rhodopsin appear in regions involved in later stages of the conserved Class A GPCR activation mechanism. Our work sheds light on the earliest stages of vision in vertebrates and points to fundamental aspects of the molecular mechanisms of agonist-mediated GPCR activation.

Abstract Animal vision depends on opsins, a category of G protein-coupled receptor (GPCR) that achieves light sensitivity by covalent attachment to retinal. Typically binding as an inverse agonist in the 11-cis form, retinal photoisomerizes to the all-trans isomer and activates the receptor, initiating downstream signaling cascades. Retinal bound to bistable opsins isomerizes back to the 11-cis state after absorption of a second photon, inactivating the receptor. Bistable opsins are essential for invertebrate vision and non-visual light perception across the animal kingdom. While crystal structures are available for bistable opsins in the inactive state, it has proven difficult to form homogeneous populations of activated bistable opsins either via illumination or reconstitution with all-trans retinal. Here we show that a non-natural retinal analogue, all-trans retinal 6.11 (ATR6.11), can be reconstituted with the invertebrate bistable opsin, Jumping Spider Rhodopsin-1 (JSR1). Biochemical activity assays demonstrate that ATR6.11 functions as an agonist of JSR1. ATR6.11 binding also enables complex formation between JSR1 and downstream signaling partners. Our findings demonstrate the utility of retinal analogues for biophysical characterization of bistable opsins, which will deepen our understanding of light perception in animals.

Upon target RNA recognition, type III CRISPR-Cas systems produce cyclic oligoadenylate second messengers to activate downstream effectors including Csm6-family ribonucleases via their CARF domains. Here we show that Enteroccocus italicus Csm6 (EiCsm6) degrades its cognate cyclic hexa-AMP (cA6) activator and report the crystal structure of EiCsm6 bound to a cA6 mimic. The structure, combined with biochemical and in vivo functional assays, reveal how cA6 recognition by the CARF domain activates the Csm6 HEPN domains for collateral RNA degradation, and how CARF domain-mediated cA6 cleavage provides an intrinsic off-switch to limit Csm6 activity in the absence of ring nucleases. These mechanisms facilitate rapid invader clearance and ensure termination of CRISPR interference to limit self-toxicity.

Animal vision depends on opsins, a category of G protein-coupled receptor (GPCR) that achieves light sensitivity by covalent attachment to retinal. Typically binding as an inverse agonist, 11-cis retinal photoisomerizes to the all-trans isomer and activates the receptor, initiating downstream signaling cascades. Retinal bound to bistable opsins isomerizes back to the 11-cis state after absorption of a second photon, inactivating the receptor. Bistable opsins are essential for invertebrate vision and nonvisual light perception across the animal kingdom. While crystal structures are available for bistable opsins in the inactive state, it has proven difficult to form homogeneous populations of activated bistable opsins either via illumination or reconstitution with all-trans retinal. Here, we show that a nonnatural retinal analog, all-trans retinal 6.11 (ATR6.11), can be reconstituted with the invertebrate bistable opsin, Jumping Spider Rhodopsin-1 (JSR1). Biochemical activity assays demonstrate that ATR6.11 functions as a JSR1 agonist. ATR6.11 binding also enables complex formation between JSR1 and signaling partners. Our findings demonstrate the utility of retinal analogs for biophysical characterization of bistable opsins, which will deepen our understanding of light perception in animals.

Abstract Opsins are G protein-coupled receptors (GPCRs) that have evolved to detect light stimuli and initiate intracellular signaling cascades. Their role as signal transducers is critical to light perception across the animal kingdom. Opsins covalently bind to the chromophore 11-cis retinal, which isomerizes to the all-trans isomer upon photon absorption, causing conformational changes that result in receptor activation. Monostable opsins, responsible for vision in vertebrates, release the chromophore after activation and must bind another retinal molecule to remain functional. In contrast, bistable opsins, responsible for non-visual light perception in vertebrates and for vision in invertebrates, absorb a second photon in the active state to return the chromophore and protein to the inactive state. Structures of bistable opsins in the activated state have proven elusive, limiting our understanding of how they function as bidirectional photoswitches. Here we present active state structures of a bistable opsin, jumping spider rhodopsin isoform-1 (JSR1), in complex with its downstream signaling partners, the Gi and Gq heterotrimers. These structures elucidate key differences in the activation mechanisms between monostable and bistable opsins, offering essential insights for the rational engineering of bistable opsins into diverse optogenetic tools to control G protein signaling pathways.

Abstract In prion diseases, the cellular prion protein PrP C is converted into aggregates of PrP Sc , leading to profound neurotoxicity through largely unknown mechanisms. Here we report that the cellular prion protein PrP C acts as an antagonist of the adhesion G protein-coupled receptor (GPCR) Adgrd1. When overexpressed in cultured cells, Adgrd1 recruited the G-protein Gαs, inducing excessive cytosolic cAMP, growth arrest and cytotoxicity, all of which were suppressed by FT 25-50 , a 26-meric peptide from the N-terminal flexible tail (FT) of PrP C . We found that FT 25-50 forms a complex with Adgrd1 and suppresses its intrinsic activation by the Stachel peptide. Adgrd1 ablation attenuated the neurodegeneration of prion-infected cerebellar organotypic slice cultures and prolonged the healthspan of prion-infected mice. Interaction studies with mutated proteins, computational modeling and docking studies revealed that suppression of Adgrd1 signaling requires the polybasic domain of the FT and the N-terminal fragment of Adgrd1. In the absence of PrP C , the cAMP spike caused by Adgrd1 was suppressed by co-expression of a functionally dead Adgrd1-Adgrg6 chimeric receptor, suggesting that Adgrd1 activation requires an unidentified agonistic ligand displaced by FT 25-50 . These results identify Adgrd1 as a mediator of prion toxicity and suggest that Adgrd1 modulators may be beneficial against prion-related neurodegeneration.