ADVERTISEMENT RETURN TO ISSUEPREVArticleNEXTMolecular motion in spin-labeled phospholipids and membranesHarden M. McConnell and Wayne L. HubbellCite this: J. Am. Chem. Soc. 1971, 93, 2, 314–326Publication Date (Print):January 1, 1971Publication History Published online1 May 2002Published inissue 1 January 1971https://pubs.acs.org/doi/10.1021/ja00731a005https://doi.org/10.1021/ja00731a005research-articleACS PublicationsRequest reuse permissionsArticle Views1210Altmetric-Citations1236LEARN ABOUT THESE METRICSArticle Views are the COUNTER-compliant sum of full text article downloads since November 2008 (both PDF and HTML) across all institutions and individuals. These metrics are regularly updated to reflect usage leading up to the last few days.Citations are the number of other articles citing this article, calculated by Crossref and updated daily. Find more information about Crossref citation counts.The Altmetric Attention Score is a quantitative measure of the attention that a research article has received online. Clicking on the donut icon will load a page at altmetric.com with additional details about the score and the social media presence for the given article. Find more information on the Altmetric Attention Score and how the score is calculated. Share Add toView InAdd Full Text with ReferenceAdd Description ExportRISCitationCitation and abstractCitation and referencesMore Options Share onFacebookTwitterWechatLinked InRedditEmail Other access optionsGet e-Alertsclose Get e-Alerts

Conformational changes are thought to underlie the activation of heterotrimeric GTP-binding protein (G protein)—coupled receptors. Such changes in rhodopsin were explored by construction of double cysteine mutants, each containing one cysteine at the cytoplasmic end of helix C and one cysteine at various positions in the cytoplasmic end of helix F. Magnetic dipolar interactions between spin labels attached to these residues revealed their proximity, and changes in their interaction upon rhodopsin light activation suggested a rigid body movement of helices relative to one another. Disulfide cross-linking of the helices prevented activation of transducin, which suggests the importance of this movement for activation of rhodopsin.

G-protein-coupled receptors (GPCRs) signal primarily through G proteins or arrestins. Arrestin binding to GPCRs blocks G protein interaction and redirects signalling to numerous G-protein-independent pathways. Here we report the crystal structure of a constitutively active form of human rhodopsin bound to a pre-activated form of the mouse visual arrestin, determined by serial femtosecond X-ray laser crystallography. Together with extensive biochemical and mutagenesis data, the structure reveals an overall architecture of the rhodopsin-arrestin assembly in which rhodopsin uses distinct structural elements, including transmembrane helix 7 and helix 8, to recruit arrestin. Correspondingly, arrestin adopts the pre-activated conformation, with a ∼20° rotation between the amino and carboxy domains, which opens up a cleft in arrestin to accommodate a short helix formed by the second intracellular loop of rhodopsin. This structure provides a basis for understanding GPCR-mediated arrestin-biased signalling and demonstrates the power of X-ray lasers for advancing the frontiers of structural biology.

G-protein-coupled receptors (GPCRs) transduce signals from the extracellular environment to intracellular proteins. To gain structural insight into the regulation of receptor cytoplasmic conformations by extracellular ligands during signaling, we examine the structural dynamics of the cytoplasmic domain of the β2-adrenergic receptor (β2AR) using 19F-fluorine NMR and double electron-electron resonance spectroscopy. These studies show that unliganded and inverse-agonist-bound β2AR exists predominantly in two inactive conformations that exchange within hundreds of microseconds. Although agonists shift the equilibrium toward a conformation capable of engaging cytoplasmic G proteins, they do so incompletely, resulting in increased conformational heterogeneity and the coexistence of inactive, intermediate, and active states. Complete transition to the active conformation requires subsequent interaction with a G protein or an intracellular G protein mimetic. These studies demonstrate a loose allosteric coupling of the agonist-binding site and G-protein-coupling interface that may generally be responsible for the complex signaling behavior observed for many GPCRs.

Thirty single cysteine substitution mutants of T4 lysozyme have been prepared and spin-labeled with a sulfhydryl-specific nitroxide reagent in order to systematically investigate the relationship between nitroxide side-chain mobility and protein structure. The perturbation caused by replacement of a native residue with a nitroxide amino acid was assessed from the resulting changes in biological activity, circular dichroism, and free energy of folding. The nitroxide produced context-dependent changes in stability and activity similar to those observed for substitution with natural amino acids at the same site but had little effect on the circular dichroism spectra. At solvent-exposed sites, the structural perturbation appears to be small at the level of the backbone fold. Nitroxide side-chain mobility faithfully reflects the protein tertiary fold at all sites investigated. The primary determinants of nitroxide side-chain mobility are tertiary interactions and backbone dynamics. Tertiary interactions constrain the side-chain mobility to an extent closely correlated with the degree of interaction. At interhelical loop sites, the side chains have a high mobility, consistent with high crystallographic thermal factors. On the exposed surfaces of alpha-helices, the side-chain mobility is not restricted by interactions with nearest neighbor side chains but appears to be determined by backbone dynamics. An unexpected result is a striking difference between the mobility of residues near the C- and N-termini of helices. These results provide the foundation for another dimension of information in site-directed spin-labeling experiments that can be interpreted in terms of the protein tertiary fold, its equilibrium dynamics and time-dependent conformational changes.

Site-directed spin labeling has qualitatively shown that a key event during activation of rhodopsin is a rigid-body movement of transmembrane helix 6 (TM6) at the cytoplasmic surface of the molecule. To place this result on a quantitative footing, and to identify movements of other helices upon photoactivation, double electron–electron resonance (DEER) spectroscopy was used to determine distances and distance changes between pairs of nitroxide side chains introduced in helices at the cytoplasmic surface of rhodopsin. Sixteen pairs were selected from a set of nine individual sites, each located on the solvent exposed surface of the protein where structural perturbation due to the presence of the label is minimized. Importantly, the EPR spectra of the labeled proteins change little or not at all upon photoactivation, suggesting that rigid-body motions of helices rather than rearrangement of the nitroxide side chains are responsible for observed distance changes. For inactive rhodopsin, it was possible to find a globally minimized arrangement of nitroxide locations that simultaneously satisfied the crystal structure of rhodopsin (Protein Data Bank entry 1GZM ), the experimentally measured distance data, and the known rotamers of the nitroxide side chain. A similar analysis of the data for activated rhodopsin yielded a new geometry consistent with a 5-Å outward movement of TM6 and smaller movements involving TM1, TM7, and the C-terminal sequence following helix H8. The positions of nitroxides in other helices at the cytoplasmic surface remained largely unchanged.

Ten mutants of bacteriorhodopsin, each containing a single cysteine residue regularly spaced along helix D and facing the lipid bilayer, were derivatized with a nitroxide spin label. Collision rates of the nitroxide with apolar oxygen increased with distance from the membrane/solution interface. Collision rates with polar metal ion complexes decreased over the same distance. Although the collision rates depend on steric constraints imposed by the local protein structure and on the depth in the membrane, the ratio of the collision rate of oxygen to those of a polar metal ion complex is independent of structural features of the protein. The logarithm of the ratio is a linear function of depth within the membrane. Calibration of this ratio parameter with spin-labeled phospholipids allows localization of the individual nitroxides, and hence the bacteriorhodopsin molecule, relative to the plane of the phosphate groups of the bilayer. The spacing between residues is consistent with the pitch of an alpha-helix. These results provide a general strategy for determining the immersion depth of nitroxides in bilayers.

Despite the rapid pace of new protein structure determination by NMR and crystallographic means, structural problems remain that are generally inaccessible to these powerful methods. Notable examples are the structure and dynamics of high molecular weight proteins in solution, and the investigation of conformational transitions and protein folding in real-time. In addition, no general approach is available for crystallization of membrane proteins, and few structures are known for this important class of molecule. Site directed spin labeling (SDSL) provides a means for approaching these problems and allows resolution at the level of the backbone fold [1].

Site-directed spin labeling has emerged as a powerful method for determining the structure and topography of proteins. The technique has recently been extended to include time-resolved detection of structural changes with high spatial resolution. The current state of the art and future directions are reviewed.

G protein-coupled receptors (GPCRs) mediate diverse signaling in part through interaction with arrestins, whose binding promotes receptor internalization and signaling through G protein-independent pathways. High-affinity arrestin binding requires receptor phosphorylation, often at the receptor's C-terminal tail. Here, we report an X-ray free electron laser (XFEL) crystal structure of the rhodopsin-arrestin complex, in which the phosphorylated C terminus of rhodopsin forms an extended intermolecular β sheet with the N-terminal β strands of arrestin. Phosphorylation was detected at rhodopsin C-terminal tail residues T336 and S338. These two phospho-residues, together with E341, form an extensive network of electrostatic interactions with three positively charged pockets in arrestin in a mode that resembles binding of the phosphorylated vasopressin-2 receptor tail to β-arrestin-1. Based on these observations, we derived and validated a set of phosphorylation codes that serve as a common mechanism for phosphorylation-dependent recruitment of arrestins by GPCRs.