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.

The interface between antibody and antigen is often depicted as a lock and key, suggesting that an antibody surface can accommodate only one antigen. Here, we describe an antibody with an antigen binding site that binds two distinct proteins with high affinity. We isolated a variant of Herceptin, a therapeutic monoclonal antibody that binds the human epidermal growth factor receptor 2 (HER2), on the basis of its ability to simultaneously interact with vascular endothelial growth factor (VEGF). Crystallographic and mutagenesis studies revealed that distinct amino acids of this antibody, called bH1, engage HER2 and VEGF energetically, but there is extensive overlap between the antibody surface areas contacting the two antigens. An affinity-improved version of bH1 inhibits both HER2- and VEGF-mediated cell proliferation in vitro and tumor progression in mouse models. Such “two-in-one” antibodies challenge the monoclonal antibody paradigm of one binding site, one antigen. They could also provide new opportunities for antibody-based therapy.

Adaptive changes in lysosomal capacity are driven by the transcription factors TFEB and TFE3 in response to increased autophagic flux and endolysosomal stress, yet the molecular details of their activation are unclear. LC3 and GABARAP members of the ATG8 protein family are required for selective autophagy and sensing perturbation within the endolysosomal system. Here we show that during single membrane ATG8 conjugation (SMAC), Parkin-dependent mitophagy, and Salmonella -induced xenophagy, the membrane conjugation of GABARAP, but not LC3, is required for activation of TFEB/TFE3 to control lysosomal homeostasis and capacity. GABARAP directly binds to a novel LC3-interacting motif (LIR) in the FLCN/FNIP tumor suppressor complex with picomolar affinity and regulates its relocalization to these GABARAP-conjugated membrane compartments. This disrupts the regulation of RagC/D by the FLCN/FNIP GAP complex, resulting in impaired mTOR-dependent phosphorylation of TFEB without changing mTOR activity towards other substrates. Thus, the GABARAP-FLCN/FNIP-TFEB axis serves as a universal molecular sensor that coordinates lysosomal homeostasis with perturbations and cargo flux within the autophagy-lysosomal network.