G protein coupled receptors (GPCRs) exhibit varying degrees of selectivity for different G protein isoforms. Despite the abundant structures of GPCR-G protein complexes, little is known about the mechanism of G protein coupling specificity. The β2-adrenergic receptor is an example of GPCR with high selectivity for Gαs, the stimulatory G protein for adenylyl cyclase, and much weaker for the Gαi family of G proteins inhibiting adenylyl cyclase. By developing a new Gαi-biased agonist (LM189), we provide structural and biophysical evidence supporting that distinct conformations at ICL2 and TM6 are required for coupling of the different G protein subtypes Gαs and Gαi. These results deepen our understanding of G protein specificity and bias and can accelerate the design of ligands that select for preferred signaling pathways.

Summary G protein-coupled receptors (GPCRs) activate heterotrimeric G proteins by stimulating the exchange of guanine nucleotide in the Gα subunit. To visualize this mechanism, we developed a time-resolved cryo-EM approach that examines the progression of ensembles of pre-steady-state intermediates of a GPCR-G protein complex. Using variability analysis to monitor the transitions of the stimulatory Gs protein in complex with the β 2 -adrenergic receptor (β 2 AR) at short sequential time points after GTP addition, we identified the conformational trajectory underlying G protein activation and functional dissociation from the receptor. Twenty transition structures generated from sequential overlapping particle subsets along this trajectory, compared to control structures, provide a high-resolution description of the order of events driving G protein activation upon GTP binding. Structural changes propagate from the nucleotide-binding pocket and extend through the GTPase domain, enacting alterations to Gα Switch regions and the α5 helix that weaken the G protein-receptor interface. Molecular dynamics (MD) simulations with late structures in the cryo-EM trajectory support that enhanced ordering of GTP upon closure of the alpha-helical domain (AHD) against the nucleotide-bound Ras-homology domain (RHD) correlates with irreversible α5 helix destabilization and eventual dissociation of the G protein from the GPCR. These findings also highlight the potential of time-resolved cryo-EM as a tool for mechanistic dissection of GPCR signaling events.

The transport of proteins across or into membranes is a vital biological process, achieved in every cell by the conserved Sec machinery. In bacteria, SecYEG combines with the SecA motor protein for secretion of pre-proteins across the plasma membrane, powered by ATP hydrolysis and the trans-membrane proton-motive-force (PMF). The activities of SecYEG and SecA are modulated by membrane lipids, particularly by cardiolipin, a specialised phospholipid known to associate with a range of energy-transducing machines. Here, we identify two specific cardiolipin binding sites on the Thermotoga maritima SecA-SecYEG complex, through application of coarse-grained molecular dynamics simulations. We validate the computational data and demonstrate the conserved nature of the binding sites using in vitro mutagenesis, native mass spectrometry and biochemical analysis of Escherichia coli SecYEG. The results show that the two sites account for the preponderance of functional cardiolipin binding to SecYEG, and mediate its roles in ATPase and protein transport activity. In addition, we demonstrate an important role for cardiolipin in the conferral of PMF-stimulation of protein transport. The apparent transient nature of the CL interaction might facilitate proton exchange with the Sec machinery and thereby stimulate protein transport, by an as yet unknown mechanism. This study demonstrates the power of coupling the high predictive ability of coarse-grained simulation with experimental analyses, towards investigation of both the nature and functional implications of protein-lipid interactions.