Abstract Advances in singe-particle cryo-electron microscopy (cryo-EM) have made possible to solve the structures of numerous Family A and Family B G protein coupled receptors (GPCRs) in complex with G proteins and arrestins, as well as several Family C GPCRs. Determination of these structures has been facilitated by the presence of large extra-membrane components (such as G protein, arrestin, or Venus flytrap domains) in these complexes that aid in particle alignment during processing of the cryo-EM data. In contrast, determination of the inactive state structure of Family A GPCRs is more challenging due to the relatively small size of the seven transmembrane domain (7TM) and to the surrounding detergent micelle that, in the absence of other features, make particle alignment impossible. Here we describe an alternative protein engineering strategy where the heterodimeric protein calcineurin is fused to a GPCR by three points of attachment, the cytoplasmic ends of TM5, TM6 and TM7. This three-point attachment provides a more rigid link with the GPCR transmembrane domain that facilitates particle alignment during data processing, allowing us to determine the structures of the β 2 adrenergic receptor (β 2 AR) in the apo, antagonist-bound, and agonist-bound states. We expect that this fusion strategy may have broad application in cryo-EM structural determination of other Family A GPCRs.

Abstract Although there has been enormous progress in the last half-century in the drug discovery targeting obesity and associated co-morbidities, the clinical treatment of obesity remains tremendously challenging. GPR75 is an orphan receptor and is suggested to be a potential novel target for the control of obesity and related metabolic disorders. Inhibition of the GPR75 signaling pathway by small molecules, antibodies, or genetic manipulations may provide a therapeutic strategy for obesity. Here, we report the active-like Cryo-EM structure of human GPR75 with an intracellular nanobody, which reveals the receptor activation mechanism. The extensive interaction network required to achieve the active structure helps explain the allosteric coupling between the orthosteric pocket and the G-protein coupling domain. The well-defined orthosteric ligand binding pocket of human GPR75 provides a structural basis for anti-obesity drug discovery.

Abstract DNA double-strand breaks (DSBs) are highly toxic lesions that occur during the cellular metabolic process. DNA Polymerase theta (Polθ) is an error-prone polymerase that has been implicated in the repair of chromosome breaks, recovery of broken replication forks, and translesion synthesis. The inhibition of Polθ activity has been implicated in killing HR-deficient tumor cells in vitro and in vivo . We present the first biochemical evidence that the antibiotics novobiocin (NVB) noncompetitively inhibit ATP hydrolysis by the ATPase domain of the Polθ helicase domain (Polθ-HLD). We report the Cryo-EM structure of apo dimeric Polθ helicase domain (Polθ-HLD), and the first inhibitor occupied Polθ-HLD structure. Our structure identifies a non-canonical novobiocin binding pocket, distinct from the canonical site that partially overlaps with the ATP in the ATPase domain. Comparison with the homolog helicase Hel308-DNA duplex complex suggests that the novobiocin competitively binds to a triangle hub on the DNA translocation pathway and blocks the ssDNA binding and translocation. Furthermore, the first dimeric structure of Polθ-HLD also provides a structural framework for revealing the microhomology-mediated end-joining mechanism. Our results demonstrate that the inhibitor-occupied structure combined with rational, structure-based drug design will undoubtedly accelerate the discovery of potent inhibitors with better efficacy and target selectivity to human Polθ.

The μ-opioid receptor (μOR) is an important target for pain management and the molecular understanding of drug action will facilitate the development of better therapeutics. Here we show, using double electron-electron resonance (DEER) and single-molecule fluorescence resonance energy transfer (smFRET), how ligand-specific conformational changes of the μOR translate into a broad range of intrinsic efficacies at the transducer level. We identify several cytoplasmic receptor conformations interconverting on different timescales, including a pre-activated receptor conformation which is capable of G protein binding, and a fully activated conformation which dramatically lowers GDP affinity within the ternary complex. Interaction of β-arrestin-1 with the μOR core binding site appears less specific and occurs with much lower affinity than binding of G protein Gi.

Advances in singe-particle cryo-electron microscopy (cryo-EM) have made it possible to solve the structures of numerous Family A and Family B G protein-coupled receptors (GPCRs) in complex with G proteins and arrestins, as well as several Family C GPCRs. Determination of these structures has been facilitated by the presence of large extramembrane components (such as G protein, arrestin, or Venus flytrap domains) in these complexes that aid in particle alignment during the processing of the cryo-EM data. In contrast, determination of the inactive state structure of Family A GPCRs is more challenging due to the relatively small size of the seven transmembrane domain (7TM) and to the surrounding detergent micelle that, in the absence of other features, make particle alignment impossible. Here, we describe an alternative protein engineering strategy where the heterodimeric protein calcineurin is fused to a GPCR by three points of attachment, the cytoplasmic ends of TM5, TM6, and TM7. This three-point attachment provides a more rigid link with the GPCR transmembrane domain that facilitates particle alignment during data processing, allowing us to determine the structures of the β 2 adrenergic receptor (β 2 AR) in the apo, antagonist-bound, and agonist-bound states. We expect that this fusion strategy may have broad application in cryo-EM structural determination of other Family A GPCRs.