Synthetic GPCRs for programmable sensing and control of cell behaviour

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作者
Nicholas A. Kalogriopoulos,Reika Tei,Yuqi Yan,Peter Klein,Matthew Ravalin,Bo Cai,Iván Soltész,Yulong Li,Alice Y. Ting
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
被引量:4
标识
DOI:10.1038/s41586-024-08282-3
摘要

Synthetic receptors that mediate antigen-dependent cell responses are transforming therapeutics, drug discovery and basic research1,2. However, established technologies such as chimeric antigen receptors3 can only detect immobilized antigens, have limited output scope and lack built-in drug control3–7. Here we engineer synthetic G-protein-coupled receptors (GPCRs) that are capable of driving a wide range of native or non-native cellular processes in response to a user-defined antigen. We achieve modular antigen gating by engineering and fusing a conditional auto-inhibitory domain onto GPCR scaffolds. Antigen binding to a fused nanobody relieves auto-inhibition and enables receptor activation by drug, thus generating programmable antigen-gated G-protein-coupled engineered receptors (PAGERs). We create PAGERs that are responsive to more than a dozen biologically and therapeutically important soluble and cell-surface antigens in a single step from corresponding nanobody binders. Different PAGER scaffolds allow antigen binding to drive transgene expression, real-time fluorescence or endogenous G-protein activation, enabling control of diverse cellular functions. We demonstrate multiple applications of PAGER, including induction of T cell migration along a soluble antigen gradient, control of macrophage differentiation, secretion of therapeutic antibodies and inhibition of neuronal activity in mouse brain slices. Owing to its modular design and generalizability, we expect PAGERs to have broad utility in discovery and translational science. Modular synthetic G-protein-coupled receptors with nanobody-based ligand-recognition domains can be designed and used to programme transgene expression, real-time fluorescence or endogenous G-protein activation in response to soluble or cell-surface ligands, enabling control of diverse cellular behaviours.
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