A brain circuit is identified through which serotonin induces an anxiety-like state; this circuit also mediates the anxiety-like behaviour induced by acute administration of the selective serotonin reuptake inhibitor fluoxetine and may underlie the early adverse events that some patients with anxiety disorders have to these types of drugs. The circuits through which serotonin regulates mood are not well understood. Here Thomas Kash and colleagues describe a mechanism by which serotonin induces an anxiety-like state in mice. They show that serotonergic projections from the dorsal raphe nuclei to the bed nucleus of the stria terminalis (BNST), a forebrain structure involved in controlling autonomic, neuroendocrine and behavioural responses, activate corticotropin-releasing factor (CRF) neurons that inhibit anxiolytic outputs from the BNST to the ventral tegmental area and lateral hypothalamus. They further show that this circuit mediates anxiety-like behaviour induced by acute administration of the serotonin reuptake inhibitor (SSRI) fluoxetine. The authors suggest that a similar mechanism may underlie the early adverse reactions to SSRI treatment that have been shown to occur in some patients with anxiety disorders. Serotonin (also known as 5-hydroxytryptamine (5-HT)) is a neurotransmitter that has an essential role in the regulation of emotion. However, the precise circuits have not yet been defined through which aversive states are orchestrated by 5-HT. Here we show that 5-HT from the dorsal raphe nucleus (5-HTDRN) enhances fear and anxiety and activates a subpopulation of corticotropin-releasing factor (CRF) neurons in the bed nucleus of the stria terminalis (CRFBNST) in mice. Specifically, 5-HTDRN projections to the BNST, via actions at 5-HT2C receptors (5-HT2CRs), engage a CRFBNST inhibitory microcircuit that silences anxiolytic BNST outputs to the ventral tegmental area and lateral hypothalamus. Furthermore, we demonstrate that this CRFBNST inhibitory circuit underlies aversive behaviour following acute exposure to selective serotonin reuptake inhibitors (SSRIs). This early aversive effect is mediated via the corticotrophin-releasing factor type 1 receptor (CRF1R, also known as CRHR1), given that CRF1R antagonism is sufficient to prevent acute SSRI-induced enhancements in aversive learning. These results reveal an essential 5-HTDRN→CRFBNST circuit governing fear and anxiety, and provide a potential mechanistic explanation for the clinical observation of early adverse events to SSRI treatment in some patients with anxiety disorders1,2.

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.

DREADDs are chemogenetic tools widely used to remotely control cellular signaling, neuronal activity, and behavior. Here we used a structure-based approach to develop a new Gi-coupled DREADD using the kappa-opioid receptor as a template (KORD) that is activated by the pharmacologically inert ligand salvinorin B (SALB). Activation of virally expressed KORD in several neuronal contexts robustly attenuated neuronal activity and modified behaviors. Additionally, co-expression of the KORD and the Gq-coupled M3-DREADD within the same neuronal population facilitated the sequential and bidirectional remote control of behavior. The availability of DREADDs activated by different ligands provides enhanced opportunities for investigating diverse physiological systems using multiplexed chemogenetic actuators.

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.

The chemogenetic technology designer receptors exclusively activated by designer drugs (DREADDs) afford remotely reversible control of cellular signaling, neuronal activity and behavior. Although the combination of muscarinic-based DREADDs with clozapine-N-oxide (CNO) has been widely used, sluggish kinetics, metabolic liabilities and potential off-target effects of CNO represent areas for improvement. Here, we provide a new high-affinity and selective agonist deschloroclozapine (DCZ) for muscarinic-based DREADDs. Positron emission tomography revealed that DCZ selectively bound to and occupied DREADDs in both mice and monkeys. Systemic delivery of low doses of DCZ (1 or 3 μg per kg) enhanced neuronal activity via hM3Dq within minutes in mice and monkeys. Intramuscular injections of DCZ (100 μg per kg) reversibly induced spatial working memory deficits in monkeys expressing hM4Di in the prefrontal cortex. DCZ represents a potent, selective, metabolically stable and fast-acting DREADD agonist with utility in both mice and nonhuman primates for a variety of applications. Deschloroclozapine (DCZ) is a broadly useful chemogenetic agonist for studies using nonhuman primates and mice. DCZ rapidly and reversibly activates DREADDs, and its binding can be visualized noninvasively by positron emission tomography.

AlphaFold2 (AF2) and RosettaFold have greatly expanded the number of structures available for structure-based ligand discovery, even though retrospective studies have cast doubt on their direct usefulness for that goal. Here, we tested unrefined AF2 models

Bed nucleus of the stria terminalis (BNST) neurons that synthesize and release the stress neuropeptide corticotropin-releasing factor (CRF) drive binge alcohol drinking and anxiety, behaviors that are primary risk factors for alcohol use disorder (AUD) and comorbid neuropsychiatric diseases more common in women than men. Here, we show that female C57BL/6J mice binge drink more than males and have greater basal BNST CRF neuron excitability and synaptic excitation. We identified a dense VGLUT2+ glutamatergic synaptic input from the paraventricular thalamus (PVT) that is anatomically similar in males and females. These PVT BNST neurons release glutamate directly onto BNST CRF neurons but also engage a large BNST interneuron population to ultimately provide a net inhibition of BNST CRF neurons, and both components of this polysynaptic PVT VGLUT2 -BNST CRF circuit are more robust in females than males. Chemogenetic inhibition of the PVT BNST projection promoted binge alcohol drinking in females without affecting males, and chemogenetic activation of the pathway was sufficient to reduce avoidance behavior in both sexes in anxiogenic contexts. Lastly, we show that withdrawal from repeated binge drinking produces a female-like phenotype in the male PVT-BNST CRF excitatory synapse without altering the function of PVT BNST neurons per se . Our data describe a complex feedforward inhibitory PVT VGLUT2 -BNST CRF glutamatergic circuit that is more robust in females, plays sex-dependent roles in alcohol drinking and avoidance behavior, and undergoes sex-dependent alcohol-induced plasticity.

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.

Abstract The central nucleus of the amygdala plays a significant role in alcohol use and other affective disorders; however, the genetically-defined neuronal subtypes and their projections that govern these behaviors are not well known. Here we show that neurotensin neurons in the central nucleus of the amygdala of male mice are activated by in vivo ethanol consumption and that genetic ablation of these neurons decreases ethanol consumption and preference in non-ethanol dependent animals. This ablation did not impact preference for sucrose, saccharin, or quinine. We found that the most robust projection of the central amygdala neurotensin neurons was to the parabrachial nucleus, a brain region known to be important in feeding behaviors, conditioned taste aversion, and alarm. Optogenetic stimulation of projections from these neurons to the parabrachial nucleus is reinforcing, and increases ethanol drinking as well as consumption of sucrose and saccharin solutions. These data suggest that this central amygdala to parabrachial nucleus projection influences the expression of reward-related phenotypes and is a novel circuit promoting consumption of ethanol and palatable fluids.

ABSTRACT Fear is an adaptive state that drives defensive behavioral responses to specific and imminent threats. The central nucleus of the amygdala (CeA) is a critical site of adaptations that are required for the acquisition and expression of fear, in part due to alterations in the activity of inputs to the CeA. Here, we characterize a novel GABAergic input to the CeA from the ventral periaqueductal gray area (vPAG) using fiber photometry and ex vivo whole-cell slice electrophysiology combined with optogenetics and pharmacology. GABA transmission from this ascending vPAG-CeA input was enhanced by bath application of serotonin via activation of serotonin type 2C (5HT 2C ) receptors. Results indicate that these receptors are presynaptic. Interestingly, we found that GABA release from the vPAG-CeA input is enhanced following fear learning via activation of 5HT 2C receptors and that this pathway is dynamically engaged during fear learning. Additionally, we characterized serotonin release in the CeA during fear learning and recall for the first time using fiber photometry coupled to a serotonin biosensor. Together, these findings describe a mechanism by which serotonin modulates GABA release from ascending vPAG GABA inputs to the CeA and characterize a role for this pathway in fear learning.