INTRODUCTION Genetic interactions occur when mutations in two or more genes combine to generate an unexpected phenotype. An extreme negative or synthetic lethal genetic interaction occurs when two mutations, neither lethal individually, combine to cause cell death. Conversely, positive genetic interactions occur when two mutations produce a phenotype that is less severe than expected. Genetic interactions identify functional relationships between genes and can be harnessed for biological discovery and therapeutic target identification. They may also explain a considerable component of the undiscovered genetics associated with human diseases. Here, we describe construction and analysis of a comprehensive genetic interaction network for a eukaryotic cell. RATIONALE Genome sequencing projects are providing an unprecedented view of genetic variation. However, our ability to interpret genetic information to predict inherited phenotypes remains limited, in large part due to the extensive buffering of genomes, making most individual eukaryotic genes dispensable for life. To explore the extent to which genetic interactions reveal cellular function and contribute to complex phenotypes, and to discover the general principles of genetic networks, we used automated yeast genetics to construct a global genetic interaction network. RESULTS We tested most of the ~6000 genes in the yeast Saccharomyces cerevisiae for all possible pairwise genetic interactions, identifying nearly 1 million interactions, including ~550,000 negative and ~350,000 positive interactions, spanning ~90% of all yeast genes. Essential genes were network hubs, displaying five times as many interactions as nonessential genes. The set of genetic interactions or the genetic interaction profile for a gene provides a quantitative measure of function, and a global network based on genetic interaction profile similarity revealed a hierarchy of modules reflecting the functional architecture of a cell. Negative interactions connected functionally related genes, mapped core bioprocesses, and identified pleiotropic genes, whereas positive interactions often mapped general regulatory connections associated with defects in cell cycle progression or cellular proteostasis. Importantly, the global network illustrates how coherent sets of negative or positive genetic interactions connect protein complex and pathways to map a functional wiring diagram of the cell. CONCLUSION A global genetic interaction network highlights the functional organization of a cell and provides a resource for predicting gene and pathway function. This network emphasizes the prevalence of genetic interactions and their potential to compound phenotypes associated with single mutations. Negative genetic interactions tend to connect functionally related genes and thus may be predicted using alternative functional information. Although less functionally informative, positive interactions may provide insights into general mechanisms of genetic suppression or resiliency. We anticipate that the ordered topology of the global genetic network, in which genetic interactions connect coherently within and between protein complexes and pathways, may be exploited to decipher genotype-to-phenotype relationships. A global network of genetic interaction profile similarities. ( Left ) Genes with similar genetic interaction profiles are connected in a global network, such that genes exhibiting more similar profiles are located closer to each other, whereas genes with less similar profiles are positioned farther apart. ( Right ) Spatial analysis of functional enrichment was used to identify and color network regions enriched for similar Gene Ontology bioprocess terms.

Summary Glucose homeostasis, regulated by glucose-dependent insulinotropic polypeptide (GIP), glucagon-like peptide-1 (GLP-1) and glucagon (GCG) is critical to human health. Several multi-targeting agonists at GIPR, GLP-1R or GCGR, developed to maximize metabolic benefits with reduced side-effects, are in clinical trials to treat type 2 diabetes and obesity. To elucidate the molecular mechanisms by which tirzepatide, a GIPR/GLP-1R dualagonist, and peptide 20, a GIPR/GLP-1R/GCGR triagonist, manifest their superior efficacies over monoagonist such as semaglutide, we determined cryo-electron microscopy structures of tirzepatide-bound GIPR and GLP-1R as well as peptide 20-bound GIPR, GLP-1R and GCGR The structures reveal both common and unique features for the dual and triple agonism by illustrating key interactions of clinical relevance at the atomic level. Retention of glucagon function is required to achieve such an advantage over GLP-1 monotherapy. Our findings provide valuable insights into the structural basis of functional versatility and therapeutic supremacy of tirzepatide and peptide 20.

Abstract The glucagon-like peptide-1 (GLP-1) receptor is a validated drug target for metabolic disorders. Ago-allosteric modulators are capable of acting both as agonists on their own and as efficacy enhancers of orthosteric ligands. However, the molecular details of ago-allosterism remain elusive. Here, we report three cryo-electron microscopy structures of GLP-1R bound to (i) compound 2 (an ago-allosteric modulator); (ii) compound 2 and GLP-1; and (iii) compound 2 and LY3502970 (a small molecule agonist), all in complex with heterotrimeric G s . The structures reveal that compound 2 is covalently bonded to C347 at the cytoplasmic end of TM6 and triggers its outward movement in cooperation with the ECD whose N terminus penetrates into the GLP-1 binding site. This allows compound 2 to execute positive allosteric modulation through enhancement of both agonist binding and G protein coupling. Our findings offer the structural basis of ago-allosterism at GLP-1R and new knowledge to design better therapeutics.

Abstract Glucagon-like peptide-1 receptor (GLP-1R) agonists are effective in treating type 2 diabetes and obesity with proven cardiovascular benefits. However, most of them are peptides and require subcutaneous injection except for orally available semaglutide. Boc5 was identified as the first orthosteric non-peptidic agonist of GLP-1R that mimics a broad spectrum of bioactivities of GLP-1 in vitro and in vivo . Here, we report the cryo-electron microscopy structures of Boc5 and its analog WB4-24 in complex with the human GLP-1R and G s protein. Bound to the extracellular domain, extracellular loop 2, and transmembrane (TM) helices 1, 2, 3 and 7, one arm of both compounds inserted deeply into the bottom of the orthosteric binding pocket that is usually accessible by peptidic agonists, thereby partially overlapping with the residues A8-D15 in GLP-1. The other three arms, meanwhile, extended to the TM1-TM7, TM1-TM2, and TM2-TM3 clefts showing an interaction feature substantially similar to a previously known small molecule agonist LY3502970. Such a unique binding mode creates a distinct conformation that confers both peptidomimetic agonism and biased signaling induced by non-peptidic modulators at GLP-1R. Further, the conformational difference between Boc5 and WB4-24, two closed related compounds, provides a structural framework for fine tuning of pharmacological efficacy in the development of future small molecule therapeutics targeting GLP-1R. Significance GLP-1R agonists are efficacious in the treatment of type 2 diabetes and obesity. While most clinically used agents require subcutaneous injection, Boc5, as the first orthosteric non-peptidic agonist of GLP-1R, suffers from poor oral bioavailability that hinders its therapeutic development. The cryo-electron microscopy structures of Boc5 and its closely related analog WB4-24 presented here reveal a previously unknown binding pocket located deeper in the transmembrane domain for non-peptidic GLP-1R agonists. Molecular interaction with this site may facilitate a broad spectrum of in vivo agonistic activities, in addition to that with the upper helical bundles presumably responsible for biased signaling. These findings deepen our understanding of peptidomimetic agonism at GLP-1R and may help design better drug leads against this important target.

ABSTRACT Here, we report the de novo assembly of a cattle genome using ultra-long-read nanopore sequencing in conjunction with other advanced technologies. The assembled genome contains only 145 contigs (N50 ∼ 74.0 Mb). Compare to the current reference cattle genome ARS-UCD1.2, 154 gaps are closed, and 467 scaffolds are further placed in our assembly. Importantly, except two remained gaps in the T-cell receptor α/δ (TRA/TRD) region, the gene loci of other TRs and immunoglobulins (IGs) are seamlessly assembled and exquisitely annotated. With the characterization of 258 IG genes and 626 TR genes that distributed in seven genomic loci, we illustrate the highest immune gene diversity in mammals to our knowledge. Moreover, the gene structures of major histocompatibility complex (MHC) are integrally depicted with properly phased haplotypes. Thus, our work not only reports a cattle genome with the most continuity and completeness, but also provide a comprehensive view of the complex immune- genome.

Abstract The endogenous mitochondrial quality control (MQC) system serves to protect mitochondria against cellular stressors. Although mitochondrial dysfunction contributes to cardiac damage during many pathological conditions, the regulatory signals influencing MQC disruption during septic cardiomyopathy (SC) remain unclear. This study aimed to investigate the involvement of pyruvate kinase M2 (PKM2) and prohibitin 2 (PHB2) interaction followed by MQC impairment in the pathogenesis of SC. We utilized LPS-induced SC models in PKM2 transgenic (PKM2 TG ) mice, PHB2 S91D -knockin mice, and PKM2-overexpressing HL-1 cardiomyocytes. After LPS-induced SC, cardiac PKM2 expression was significantly downregulated in wild-type mice, whereas PKM2 overexpression in vivo sustained heart function, suppressed myocardial inflammation, and attenuated cardiomyocyte death. PKM2 overexpression relieved sepsis-related mitochondrial damage via MQC normalization, evidenced by balanced mitochondrial fission/fusion, activated mitophagy, restored mitochondrial biogenesis, and inhibited mitochondrial unfolded protein response. Docking simulations, co-IP, and domain deletion mutant protein transfection experiments showed that PKM2 phosphorylates PHB2 at Ser91, preventing LPS-mediated PHB2 degradation. Additionally, the A domain of PKM2 and the PHB domain of PHB2 are required for PKM2-PHB2 binding and PHB2 phosphorylation. After LPS exposure, expression of a phosphorylation-defective PHB2 S91A mutant negated the protective effects of PKM2 overexpression. Moreover, knockin mice expressing a phosphorylation-mimetic PHB2 S91D mutant showed improved heart function, reduced inflammation, and preserved mitochondrial function following sepsis induction. Abundant PKM2 expression is a prerequisite to sustain PKM2-PHB2 interaction which is a key element for preservation of PHB2 phosphorylation and MQC, presenting novel interventive targets for the treatment of septic cardiomyopathy.

Abstract Alternative splicing of G protein-coupled receptors has been observed, but their functions are largely unknown. Here, we report that a splice variant (SV1) of the human growth hormone releasing hormone receptor (GHRHR) is capable of transducing biased signal. Differing only at the receptor N terminus, GHRHR predominantly activates G s while SV1 selectively couples to β-arrestins. Based on the cryo-electron microscopy structures of SV1 in the apo state or in complex with the G s protein, molecular dynamics simulations reveal that the N termini of GHRHR and SV1 differentiate the downstream signaling pathways, G s vs . β-arrestins. Suggested by mutagenesis and functional studies, it appears that GHRH-elicited signal bias towards β-arrestin recruitment is constitutively mediated by SV1. The level of SV1 expression in prostate cancer cells is also positively correlated with ERK1/2 phosphorylation but negatively correlated with cAMP response. Our findings imply that constitutive signal bias may be a mechanism that ensures cancer cell proliferation. Significance Statement The mechanism of functional changes induced by alternative splicing of GHRHR is largely unknown. Here, we demonstrate that GHRH-elicited signal bias towards β-arrestin recruitment is constitutively mediated by SV1. The cryo-electron microscopy structures of SV1 and molecular dynamics simulations reveal the different functionalities between GHRHR and SV1 at the near-atomic level, i . e ., the N termini of GHRHR and SV1 differentiate the downstream signaling pathways, G s vs . β-arrestins. Our findings provide valuable insights into functional diversity of class B1 GPCRs which may aid in the design of better therapeutic agents against certain cancers.

Abstract Activated by physiologically important peptide hormones, class B1 G protein-coupled receptors (GPCRs) modulate key physiological functions and serve as valuable drug targets for many diseases. Among them, vasoactive intestinal polypeptide receptor 2 (VIP2R) is the last member whose full-length 3-dimensional structure has yet to be determined. VIP2R, expressed in the central and peripheral nervous systems and involved in a number of pathophysiological conditions, is implicated in pulmonary arterial hypertension, autoimmune and psychiatric disorders. Here, we report the cryo-electron microscopy structure of the human VIP2R bound to its endogenous ligand PACAP27 and the stimulatory G protein. Different from all reported peptide-bound class B1 GPCR structures, the N-terminal α-helix of VIP2R adopts a unique conformation that deeply inserts into a cleft between PACAP27 and the extracellular loop 1, thereby stabilizing the peptide-receptor interface. Its truncation or extension significantly decreased VIP2R-mediated cAMP accumulation. Our results provide additional information on peptide recognition and receptor activation among class B1 GPCRs and may facilitate the design of better therapeutics.

Abstract Glucose-dependent insulinotropic polypeptide (GIP) is a peptide hormone that exerts crucial metabolic functions by binding and activating its cognate receptor, GIPR. As an important therapeutic target, GIPR has been subjected to intensive structural studies without success. Here, we report the cryo-EM structure of the human GIPR in complex with GIP and a G s heterotrimer at a global resolution of 2.9 Å. GIP adopts a single straight helix with its N terminus dipped into the receptor transmembrane domain (TMD), while the C-terminus is closely associated with the extracellular domain and extracellular loop 1. GIPR employs conserved residues in the lower half of the TMD pocket to recognize the common segments shared by GIP homologous peptides, while uses non-conserved residues in the upper half of the TMD pocket to interact with residues specific for GIP. These results provide a structural framework of hormone recognition and GIPR activation.

Abstract The parathyroid hormone receptor 2 (PTH2R) is a class B1 G protein-coupled receptor (GPCR) involved in regulation of calcium transport, nociception mediation, and wound healing. Naturally occurring mutations in PTH2R were reported to cause hereditary diseases, including syndromic short stature. Here we report the cryo-electron microscopy structure of PTH2R bound to its endogenous ligand, tuberoinfundibular peptide (TIP39), and a heterotrimeric G s protein at a global resolution of 2.8 Å. The structure reveals that TIP39 adopts a unique loop conformation at N terminus and deeply inserts into the orthosteric ligand-binding pocket in the transmembrane (TM) domain. Molecular dynamics (MD) simulation and site-directed mutagenesis studies uncover the basis of ligand specificity relative to three PTH2R agonists, TIP39, PTH, and PTH-related peptide (PTHrP). We also compare the action of TIP39 with an antagonist lacking six residues from the peptide N terminus, TIP(7–39), which underscores the indispensable role of the N terminus of TIP39 in PTH2R activation. Additionally, we unveil that a disease-associated mutation G258D significantly diminished cAMP accumulation induced by TIP39. Together, these results not only provide structural insights into ligand specificity and receptor activation of class B1 GPCRs, but also offer a foundation to systematically rationalize the available pharmacological data to develop novel therapies for various disorders associated with PTH2R.