Despite intense interest in expanding chemical space, libraries containing hundreds-of-millions to billions of diverse molecules have remained inaccessible. Here we investigate structure-based docking of 170 million make-on-demand compounds from 130 well-characterized reactions. The resulting library is diverse, representing over 10.7 million scaffolds that are otherwise unavailable. For each compound in the library, docking against AmpC β-lactamase (AmpC) and the D4 dopamine receptor were simulated. From the top-ranking molecules, 44 and 549 compounds were synthesized and tested for interactions with AmpC and the D4 dopamine receptor, respectively. We found a phenolate inhibitor of AmpC, which revealed a group of inhibitors without known precedent. This molecule was optimized to 77 nM, which places it among the most potent non-covalent AmpC inhibitors known. Crystal structures of this and other AmpC inhibitors confirmed the docking predictions. Against the D4 dopamine receptor, hit rates fell almost monotonically with docking score, and a hit-rate versus score curve predicted that the library contained 453,000 ligands for the D4 dopamine receptor. Of 81 new chemotypes discovered, 30 showed submicromolar activity, including a 180-pM subtype-selective agonist of the D4 dopamine receptor. Using a make-on-demand library that contains hundreds-of-millions of molecules, structure-based docking was used to identify compounds that, after synthesis and testing, are shown to interact with AmpC β-lactamase and the D4 dopamine receptor with high affinity.

An X-ray structure of the D2 dopamine receptor bound to the atypical antipsychotic drug risperidone reveals an extended binding pocket and indicates structural features that could be used to design drugs that specifically target the D2 receptor. D2 dopamine receptors are the principal targets for antipsychotic drugs for the treatment of schizophrenia, and offer possibilities for treating depression and Parkinson's disease. However, molecular-level understanding of these receptors is limited, and many available drugs cause serious side-effects as a result of activity at other dopamine receptors. Here, Bryan Roth and colleagues report the crystal structure of the D2 receptor in complex with the antipsychotic drug risperidone. This structure shows an unusual binding mode of the drug, distinct from those observed in the related D3 and D4 receptors, whereby a hydrophobic patch formed by a tryptophan residue regulates the entry and exit of the drug. Mutation at this position reduces the drug residence time, which is believed to be related to side-effects of common antipsychotics. This work hints at ways to develop safer antipsychotic drugs that are selective for D2. Dopamine is a neurotransmitter that has been implicated in processes as diverse as reward, addiction, control of coordinated movement, metabolism and hormonal secretion. Correspondingly, dysregulation of the dopaminergic system has been implicated in diseases such as schizophrenia, Parkinson’s disease, depression, attention deficit hyperactivity disorder, and nausea and vomiting. The actions of dopamine are mediated by a family of five G-protein-coupled receptors1. The D2 dopamine receptor (DRD2) is the primary target for both typical2 and atypical3,4 antipsychotic drugs, and for drugs used to treat Parkinson’s disease. Unfortunately, many drugs that target DRD2 cause serious and potentially life-threatening side effects due to promiscuous activities against related receptors4,5. Accordingly, a molecular understanding of the structure and function of DRD2 could provide a template for the design of safer and more effective medications. Here we report the crystal structure of DRD2 in complex with the widely prescribed atypical antipsychotic drug risperidone. The DRD2–risperidone structure reveals an unexpected mode of antipsychotic drug binding to dopamine receptors, and highlights structural determinants that are essential for the actions of risperidone and related drugs at DRD2.

G-protein-coupled receptors (GPCRs) remain major drug targets, despite our incomplete understanding of how they signal through 16 non-visual G-protein signal transducers (collectively named the transducerome) to exert their actions. To address this gap, we have developed an open-source suite of 14 optimized bioluminescence resonance energy transfer (BRET) Gαβγ biosensors (named TRUPATH) to interrogate the transducerome with single pathway resolution in cells. Generated through exhaustive protein engineering and empirical testing, the TRUPATH suite of Gαβγ biosensors includes the first Gα15 and GαGustducin probes. In head-to-head studies, TRUPATH biosensors outperformed first-generation sensors at multiple GPCRs and in different cell lines. Benchmarking studies with TRUPATH biosensors recapitulated previously documented signaling bias and revealed new coupling preferences for prototypic and understudied GPCRs with potential in vivo relevance. To enable a greater understanding of GPCR molecular pharmacology by the scientific community, we have made TRUPATH biosensors easily accessible as a kit through Addgene. Development of BRET sensors for nearly all major G proteins show that GPCR–G-protein coupling ranges from promiscuous to extremely specific, Switch III is a novel site for G-protein engineering, and optimal donor–acceptor positioning is non-obvious.

Hallucinogens like lysergic acid diethylamide (LSD), psilocybin, and substituted N-benzyl phenylalkylamines are widely used recreationally with psilocybin being considered as a therapeutic for many neuropsychiatric disorders including depression, anxiety, and substance abuse. How psychedelics mediate their actions-both therapeutic and hallucinogenic-are not understood, although activation of the 5-HT2A serotonin receptor (HTR2A) is key. To gain molecular insights into psychedelic actions, we determined the active-state structure of HTR2A bound to 25-CN-NBOH-a prototypical hallucinogen-in complex with an engineered Gαq heterotrimer by cryoelectron microscopy (cryo-EM). We also obtained the X-ray crystal structures of HTR2A complexed with the arrestin-biased ligand LSD or the inverse agonist methiothepin. Comparisons of these structures reveal determinants responsible for HTR2A-Gαq protein interactions as well as the conformational rearrangements involved in active-state transitions. Given the potential therapeutic actions of hallucinogens, these findings could accelerate the discovery of more selective drugs for the treatment of a variety of neuropsychiatric disorders.

Summary

 The κ-opioid receptor (KOP) mediates the actions of opioids with hallucinogenic, dysphoric, and analgesic activities. The design of KOP analgesics devoid of hallucinatory and dysphoric effects has been hindered by an incomplete structural and mechanistic understanding of KOP agonist actions. Here, we provide a crystal structure of human KOP in complex with the potent epoxymorphinan opioid agonist MP1104 and an active-state-stabilizing nanobody. Comparisons between inactive- and active-state opioid receptor structures reveal substantial conformational changes in the binding pocket and intracellular and extracellular regions. Extensive structural analysis and experimental validation illuminate key residues that propagate larger-scale structural rearrangements and transducer binding that, collectively, elucidate the structural determinants of KOP pharmacology, function, and biased signaling. These molecular insights promise to accelerate the structure-guided design of safer and more effective κ-opioid receptor therapeutics.

Drugs frequently require interactions with multiple targets—via a process known as polypharmacology—to achieve their therapeutic actions. Currently, drugs targeting several serotonin receptors, including the 5-HT2C receptor, are useful for treating obesity, drug abuse, and schizophrenia. The competing challenges of developing selective 5-HT2C receptor ligands or creating drugs with a defined polypharmacological profile, especially aimed at G protein-coupled receptors (GPCRs), remain extremely difficult. Here, we solved two structures of the 5-HT2C receptor in complex with the highly promiscuous agonist ergotamine and the 5-HT2A-C receptor-selective inverse agonist ritanserin at resolutions of 3.0 Å and 2.7 Å, respectively. We analyzed their respective binding poses to provide mechanistic insights into their receptor recognition and opposing pharmacological actions. This study investigates the structural basis of polypharmacology at canonical GPCRs and illustrates how understanding characteristic patterns of ligand-receptor interaction and activation may ultimately facilitate drug design at multiple GPCRs.

Dopamine receptors are implicated in the pathogenesis and treatment of nearly every neuropsychiatric disorder. Although thousands of drugs interact with these receptors, our molecular understanding of dopaminergic drug selectivity and design remains clouded. To illuminate dopamine receptor structure, function, and ligand recognition, we determined crystal structures of the D

Abstract Drugs targeting the G protein-coupled μ-opioid receptor (μOR) are the most effective analgesics available but are also associated with fatal respiratory depression. While some partial opioid agonists appear to be safer than full agonists, the signaling pathways responsible for respiratory depression have yet to be elucidated. Here we investigated the structural and mechanistic basis of action of lofentanil (LFT) and mitragynine pseudoindoxyl (MP), two μOR agonists with different safety profiles. LFT, one of the most potent and lethal opioids, and MP, a derivative from the kratom plant with reduced respiratory depression in animal studies at equianalgesic doses, exhibited markedly different signaling efficacy profiles for G protein subtype activation and recruitment of β-arrestins. Cryo-EM structures of the μOR-Gi1 complex with MP (2.5Å) and LFT (3.2Å) revealed that the two ligands engage distinct sub-pockets, and molecular dynamics (MD) simulations showed additional differences in the binding site that propagate to the intracellular side of the receptor where G proteins and β-arrestins bind. While MP favors the precise G protein-bound active state observed in the cryo-EM structures, LFT favors a distinct active state. These results highlight how drugs engaging different parts of the μOR orthosteric pocket can lead to distinct signaling outcomes.