Heterotrimeric guanine nucleotide–binding protein (G protein)–coupled receptors constitute the largest family of eukaryotic signal transduction proteins that communicate across the membrane. We report the crystal structure of a human β 2 -adrenergic receptor–T4 lysozyme fusion protein bound to the partial inverse agonist carazolol at 2.4 angstrom resolution. The structure provides a high-resolution view of a human G protein–coupled receptor bound to a diffusible ligand. Ligand-binding site accessibility is enabled by the second extracellular loop, which is held out of the binding cavity by a pair of closely spaced disulfide bridges and a short helical segment within the loop. Cholesterol, a necessary component for crystallization, mediates an intriguing parallel association of receptor molecules in the crystal lattice. Although the location of carazolol in the β 2 -adrenergic receptor is very similar to that of retinal in rhodopsin, structural differences in the ligand-binding site and other regions highlight the challenges in using rhodopsin as a template model for this large receptor family.

G protein-coupled receptors (GPCRs) are responsible for the majority of cellular responses to hormones and neurotransmitters as well as the senses of sight, olfaction and taste. The paradigm of GPCR signalling is the activation of a heterotrimeric GTP binding protein (G protein) by an agonist-occupied receptor. The β(2) adrenergic receptor (β(2)AR) activation of Gs, the stimulatory G protein for adenylyl cyclase, has long been a model system for GPCR signalling. Here we present the crystal structure of the active state ternary complex composed of agonist-occupied monomeric β(2)AR and nucleotide-free Gs heterotrimer. The principal interactions between the β(2)AR and Gs involve the amino- and carboxy-terminal α-helices of Gs, with conformational changes propagating to the nucleotide-binding pocket. The largest conformational changes in the β(2)AR include a 14 Å outward movement at the cytoplasmic end of transmembrane segment 6 (TM6) and an α-helical extension of the cytoplasmic end of TM5. The most surprising observation is a major displacement of the α-helical domain of Gαs relative to the Ras-like GTPase domain. This crystal structure represents the first high-resolution view of transmembrane signalling by a GPCR.

The β 2 -adrenergic receptor (β 2 AR) is a well-studied prototype for heterotrimeric guanine nucleotide–binding protein (G protein)–coupled receptors (GPCRs) that respond to diffusible hormones and neurotransmitters. To overcome the structural flexibility of the β 2 AR and to facilitate its crystallization, we engineered a β 2 AR fusion protein in which T4 lysozyme (T4L) replaces most of the third intracellular loop of the GPCR (“β 2 AR-T4L”) and showed that this protein retains near-native pharmacologic properties. Analysis of adrenergic receptor ligand-binding mutants within the context of the reported high-resolution structure of β 2 AR-T4L provides insights into inverse-agonist binding and the structural changes required to accommodate catecholamine agonists. Amino acids known to regulate receptor function are linked through packing interactions and a network of hydrogen bonds, suggesting a conformational pathway from the ligand-binding pocket to regions that interact with G proteins.

Opium is one of the world's oldest drugs, and its derivatives morphine and codeine are among the most used clinical drugs to relieve severe pain. These prototypical opioids produce analgesia as well as many undesirable side effects (sedation, apnoea and dependence) by binding to and activating the G-protein-coupled µ-opioid receptor (µ-OR) in the central nervous system. Here we describe the 2.8 Å crystal structure of the mouse µ-OR in complex with an irreversible morphinan antagonist. Compared to the buried binding pocket observed in most G-protein-coupled receptors published so far, the morphinan ligand binds deeply within a large solvent-exposed pocket. Of particular interest, the µ-OR crystallizes as a two-fold symmetrical dimer through a four-helix bundle motif formed by transmembrane segments 5 and 6. These high-resolution insights into opioid receptor structure will enable the application of structure-based approaches to develop better drugs for the management of pain and addiction.

Despite recent advances in crystallography and the availability of G-protein-coupled receptor (GPCR) structures, little is known about the mechanism of their activation process, as only the β2 adrenergic receptor (β2AR) and rhodopsin have been crystallized in fully active conformations. Here we report the structure of an agonist-bound, active state of the human M2 muscarinic acetylcholine receptor stabilized by a G-protein mimetic camelid antibody fragment isolated by conformational selection using yeast surface display. In addition to the expected changes in the intracellular surface, the structure reveals larger conformational changes in the extracellular region and orthosteric binding site than observed in the active states of the β2AR and rhodopsin. We also report the structure of the M2 receptor simultaneously bound to the orthosteric agonist iperoxo and the positive allosteric modulator LY2119620. This structure reveals that LY2119620 recognizes a largely pre-formed binding site in the extracellular vestibule of the iperoxo-bound receptor, inducing a slight contraction of this outer binding pocket. These structures offer important insights into the activation mechanism and allosteric modulation of muscarinic receptors. Very little is known about how a G-protein-coupled receptor (GPCR) transitions from an inactive to an active state, but this study has solved the X-ray crystal structures of the human M2 muscarinic acetylcholine receptor bound to a high-affinity agonist in an active state and to a high-affinity agonist and a small-molecule allosteric modulator in an active state; the structures provide insights into the activation mechanism and allosteric modulation of muscarinic receptors. The structures of many G-protein-coupled receptors (GPCRs), including members of the class B and class F families, are now available but little is known about the transitions from the inactive to active states. In this study the authors solve the X-ray crystal structures of the human M2 muscarinic acetylcholine receptor in the active state bound to the agonist iperoxo alone and in combination with LY2119620, a positive allosteric modulator. The structures reveal that the activated M2 receptor has an extremely small orthosteric binding site, with LY2119620 'sitting' right on top of the agonist. The authors also note that the region that makes up the allosteric site in the inactive conformation of the M2 receptor is too large to bind to LY2119620; this means that the extracellular region needs to contract (by binding to the high-affinity agonist) before LY2119620 can bind to the allosteric site. This GPCR is essential for the physiological control of cardiovascular function, cognition, and pain perception, and since allosteric sites are less conserved in sequence and structure than the orthosteric binding site, the hope is that ligands that bind to allosteric sites could be turned into drugs that selectively interact with only one of the five muscarinic receptor subtypes.

Morphine is an alkaloid from the opium poppy used to treat pain. The potentially lethal side effects of morphine and related opioids—which include fatal respiratory depression—are thought to be mediated by μ-opioid-receptor (μOR) signalling through the β-arrestin pathway or by actions at other receptors. Conversely, G-protein μOR signalling is thought to confer analgesia. Here we computationally dock over 3 million molecules against the μOR structure and identify new scaffolds unrelated to known opioids. Structure-based optimization yields PZM21—a potent Gi activator with exceptional selectivity for μOR and minimal β-arrestin-2 recruitment. Unlike morphine, PZM21 is more efficacious for the affective component of analgesia versus the reflexive component and is devoid of both respiratory depression and morphine-like reinforcing activity in mice at equi-analgesic doses. PZM21 thus serves as both a probe to disentangle μOR signalling and a therapeutic lead that is devoid of many of the side effects of current opioids. Computational docking to the the μ-opioid-receptor identifies PZM21, a novel selective biased agonist that generates substantial affective analgesia in mice without altering respiration or inducing drug reinforcement. Morphine and other alkaloids from the opium poppy are μ-opioid receptor agonists that have been used to treat pain for many centuries. These authors used a computational approach to dock over three million small molecules to the μ-opioid receptor. Structure-based optimization of the most promising structures led to the identification of a potent agonist, PZM21, with exceptional subtype selectivity for the μ-opioid receptor. In mice, PZM21 generates substantial analgesia, which is fully ablated in μ-opioid receptor knockout animals. This small molecule seems to reduce the affective component of pain, without detectably altering reflexive behaviours, and has little effect on respiration.

The gene for the human platelet alpha 2-adrenergic receptor has been cloned with oligonucleotides corresponding to the partial amino acid sequence of the purified receptor. The identity of this gene has been confirmed by the binding of alpha 2-adrenergic ligands to the cloned receptor expressed in Xenopus laevis oocytes. The deduced amino acid sequence is most similar to the recently cloned human beta 2- and beta 1-adrenergic receptors; however, similarities to the muscarinic cholinergic receptors are also evident. Two related genes have been identified by low stringency Southern blot analysis. These genes may represent additional alpha 2-adrenergic receptor subtypes.

Activation of the μ-opioid receptor (μOR) is responsible for the efficacy of the most effective analgesics. To shed light on the structural basis for μOR activation, here we report a 2.1 Å X-ray crystal structure of the murine μOR bound to the morphinan agonist BU72 and a G protein mimetic camelid antibody fragment. The BU72-stabilized changes in the μOR binding pocket are subtle and differ from those observed for agonist-bound structures of the β2-adrenergic receptor (β2AR) and the M2 muscarinic receptor. Comparison with active β2AR reveals a common rearrangement in the packing of three conserved amino acids in the core of the μOR, and molecular dynamics simulations illustrate how the ligand-binding pocket is conformationally linked to this conserved triad. Additionally, an extensive polar network between the ligand-binding pocket and the cytoplasmic domains appears to play a similar role in signal propagation for all three G-protein-coupled receptors. X-ray crystallography and molecular dynamics simulations of the μ-opioid receptor reveal the conformational changes in the extracellular and intracellular domains of this G-protein-coupled receptor that are associated with its activation. The μ-opioid receptor is a G-protein-coupled receptor (GPCR) activated by various analgesics, endogenous endorphins and drugs of abuse such as heroin and opium. Our understanding of the mechanism by which agonist binding leads to recognition, coupling, and activation of a particular G protein subtype is incomplete. In two papers in this issue of Nature, the authors used X-ray crystallography, molecular dynamics simulations, and NMR spectroscopy to probe the structural basis for receptor activation. As well as revealing the conformational changes in the extracellular and intracellular domains of this GPCR associated with receptor activation, these studies help explain why the allosteric coupling between the agonist-binding pocket and the cytoplasmic G-protein-coupling interface of this receptor is relatively weak.