Summary How morphogen gradients control patterning and growth in developing tissues remains largely unknown due to lack of tools manipulating morphogen gradients. Here, we generate two membrane-tethered protein binders that manipulate different aspects of Decapentaplegic (Dpp), a morphogen required for overall patterning and growth of the Drosophila wing. “HA trap” is based on a single-chain variable fragment (scFv) against the HA tag that traps HA-Dpp to mainly block its dispersal, while “Dpp trap” is based on a Designed Ankyrin Repeat Protein (DARPin) against Dpp that traps Dpp to block both its dispersal and signaling. Using these tools, we found that, while posterior patterning and growth require Dpp dispersal, anterior patterning and growth largely proceed without Dpp dispersal. We show that dpp transcriptional refinement from an initially uniform to a localized expression and persistent signaling in transient dpp source cells render the anterior compartment robust against the absence of Dpp dispersal. Furthermore, despite a critical requirement of dpp for the overall wing growth, neither Dpp dispersal nor direct signaling is critical for lateral wing growth after wing pouch specification. These results challenge the long-standing dogma that Dpp dispersal is strictly required to control and coordinate overall wing patterning and growth.

Over the last few years, protein-based affinity reagents have proven very helpful in cell and developmental biology. While many of these versatile small proteins can be expressed both in the intracellular and extracellular milieu in cultured cells and in living organisms, they can also be functionalized by fusing them to different protein domains in order to regulate or modulate their target proteins in diverse manners. For example, protein binders have been employed to degrade, trap, localize or enzymatically modify specific target proteins. Whereas binders to many endogenous proteins or small protein tags have been generated, also several affinity reagents against fluorescent proteins have been created and used to manipulate target proteins tagged with the corresponding fluorescent protein. Both of these approaches have resulted in improved methods for cell biological and developmental studies. While binders against GFP and mCherry have been previously isolated and validated, we now report the generation and utilization of designed ankyrin repeat proteins (DARPins) against the monomeric teal fluorescent protein 1 (mTFP1). Here we use the generated DARPins to delocalize Rab proteins to the nuclear compartment, in which they cannot fulfill their regular functions anymore. In the future, such manipulations might enable the production of acute loss-of-function phenotypes in different cell types or living organisms based on direct protein manipulation rather than on genetic loss-of-function analyses.

Abstract The actin cytoskeleton is of fundamental importance for cellular structure and plasticity. However, abundance and function of filamentous (F-) actin in the nucleus are still controversial. Here we show that the actin-based molecular motor myosin VI contributes to the stabilization of stalled or reversed replication forks. In response to DNA replication stress, myosin VI associates with stalled replication intermediates and cooperates with the AAA ATPase WRNIP1 in protecting these structures from DNA2- mediated nucleolytic attack. Using nuclear localization sequence (NLS) and ubiquitin E3-fusion DARPins to manipulate myosin VI levels in a compartment-specific manner, we provide evidence for the direct involvement of myosin VI in the nucleus and against a contribution of the abundant cytoplasmic pool during the replication stress response.

Abstract Diversity-oriented synthesis (DOS)is a powerful strategy to prepare molecules with underrepresented features in commercial screening collections, resulting in the elucidation of novel biological mechanisms. In parallel to the development of DOS, DNA-encoded libraries (DELs) have emerged as an effective, efficient screening strategy to identify protein binders. Despite recent advancements in this field, most DEL syntheses are limited by the presence of sensitive DNA-based constructs. Here, we describe the design, synthesis, and validation experiments performed for a 3.7 million-member DEL, generated using diverse skeleton architectures with varying exit vectors, derived from DOS, to achieve structural diversity beyond what is possible by varying appendages alone. We will make this DEL available to the academic scientific community to increase access to novel structural features and accelerate early-phase drug discovery.

Abstract Adenylyl cyclase 9 (AC9) is a membrane-bound enzyme that converts ATP into cAMP. The enzyme is weakly activated by forskolin, fully activated by the G protein Gαs subunit and is autoinhibited by the AC9 C-terminus. Although our recent structural studies of the AC9-Gαs complex provided the framework for understanding AC9 autoinhibition, the conformational changes that AC9 undergoes in response to activator binding remains poorly understood. Here, we present the cryo-EM structures of AC9 in several distinct states: (i) AC9 bound to a nucleotide inhibitor MANT-GTP, (ii) bound to an artificial activator (DARPin C4) and MANT-GTP, (iii) bound to DARPin C4 and a nucleotide analogue ATPαS, (iv) bound to Gαs and MANT-GTP. The artificial activator DARPin C4 partially activates AC9 by binding at a site that overlaps with the Gαs binding site. Together with the previously observed occluded and forskolin-bound conformations, structural comparisons of AC9 in the four new conformations show that secondary structure rearrangements in the region surrounding the forskolin binding site are essential for AC9 activation. One Sentence Summary Cryo-EM reveals activator-induced conformational changes in adenylyl cyclase AC9