Abstract Selectivity of natural agonists for their cognate receptors is one of the hallmarks of the members of GPCR family, and it is crucial for the specificity of downstream signal-transduction. However, this selectivity often breaks down in the chemokine receptor subfamily, wherein a high degree of promiscuity is observed with one receptor recognizing multiple chemokines and one chemokine binding to multiple receptors. The molecular determinants of such a striking promiscuity for natural ligands in the chemokine-chemokine receptor system remain mostly elusive and represent an important knowledge gap in our current understanding. Here, we carry out a comprehensive transducer-coupling analysis, testing all known C-X-C chemokines on every C-X-C type chemokine receptor, to generate a global fingerprint of the selectivity and promiscuity encoded within this system. Taking lead from our finding, we determined cryo-EM structures of the most promiscuous receptor, CXCR2, in complex with every interacting chemokine, and deciphered the conserved molecular signatures and distinct binding modalities. While most chemokines position themselves on the receptor as a dimer, CXCL6 exhibits a monomeric binding pose induced by a previously unanticipated reorientation of its carboxyl-terminal α-helix, leading to disruption of the dimer interface. Surprisingly, one of the chemokines, CXCL5, induces a ligand-swapped dimer of CXCR2, the first of its kind observed in class A GPCRs, wherein each protomer of the ligand engages its own receptor without any discernible receptor-receptor interface. These unique observations provide a possible structural mechanism for inherent functional specialization encoded in chemokines despite their convergence to a common receptor. Furthermore, we also determined cryo-EM structures of CXCR3 in complex with G-protein-biased and β-arrestin-biased small molecule agonists that elucidate distinct allosteric modulations in the receptor driving their divergent transducer-coupling bias. Guided by structural analysis and experimental validation, we discover that in contrast to previously held notion, small molecule agonists of CXCR3 display robust agonism at CXCR7, an intrinsically biased, β-arrestin-coupled receptor, making them first-in-class dual agonists for chemokine receptors with exclusive βarr-bias at CXCR7. Taken together, our study provides molecular insights into ligand promiscuity and signaling bias at the chemokine receptors, and also demonstrates a proof of principle that naturally encoded structural mimicry can be recapitulated using synthetic pharmacophores with potential implications for developing novel therapeutics.

Abstract Activation of the complement cascade is a critical part of our innate immune response against invading pathogens, and it operates in a concerted fashion with the antibodies and phagocytic cells towards the clearance of pathogens. The complement peptide C5a, generated during the activation of complement cascade, is a potent inflammatory molecule, and increased levels of C5a are implicated in multiple inflammatory disorders including the advanced stages of COVID-19 pathophysiology. The proximal step in C5a-mediated cellular and physiological responses is its interaction with two different seven transmembrane receptors (7TMRs) known as C5aR1 and C5aR2. Despite a large body of functional data on C5a-C5aR1 interaction, direct visualization of their interaction at high-resolution is still lacking, and it represents a significant knowledge gap in our current understanding of complement receptor activation and signaling. Here, we present cryo-EM structures of C5aR1 activated by its natural agonist C5a, and a G-protein-biased synthetic peptide ligand C5a pep , in complex with heterotrimeric G-proteins. The C5a-C5aR1 structure reveals the ligand binding interface involving the N-terminus and extracellular loops of the receptor, and we observe that C5a exhibits a significant conformational change upon its interaction with the receptor compared to the basal conformation. On the other hand, the structural details of C5a pep -C5aR1 complex provide a molecular basis to rationalize the ability of peptides, designed based on the carboxyl-terminus sequence of C5a, to act as potent agonists of the receptor, and also the mechanism underlying their biased agonism. In addition, these structural snapshots also reveal activation-associated conformational changes in C5aR1 including outward movement of TM6 and a dramatic rotation of helix 8, and the interaction interface for G-protein-coupling. In summary, this study provides previously lacking molecular basis for the complement C5a recognition and activation of C5aR1, and it should facilitate structure-based discovery of novel lead molecules to target C5aR1 in inflammatory disorders.

Abstract The Hydroxycarboxylic acid receptor 2 (HCA2), also known as the niacin receptor or GPR109A, is a prototypical G protein-coupled receptor that plays a central role in the inhibition of lipolytic and atherogenic activities in our body. Interestingly, GPR109A activation also results in vasodilation that is linked to the side-effect of flushing associated with dyslipidemia drugs such as niacin. This receptor continues to be a key target for developing novel pharmacophores and lead compounds as potential therapeutics in dyslipidemia with minimized flushing response, however, the lack of structural insights into agonist-binding and receptor activation has limited the efforts. Here, we present five different cryo-EM structures of the GPR109A-G-protein complexes with the receptor bound to dyslipidemia drugs, niacin or acipimox, non-flushing agonists, MK6892 or GSK256073, and recently approved psoriasis drug, monomethyl fumarate (MMF). These structures allow us to visualize the binding mechanism of agonists with a conserved molecular interaction network, and elucidate the previously lacking molecular basis of receptor activation and transducer-coupling. Importantly, cellular pharmacology experiments, guided by the structural framework determined here, elucidate pathway-selective biased signaling elicited by the non-flushing agonists. Finally, taking lead from the structural insights, we successfully engineered receptor mutants via single amino acid substitutions that either fail to elicit agonist-induced transducer-coupling or exhibits G-protein signaling bias. Taken together, our study provides previously lacking structural framework to understand the agonist-binding and activation of GPR109A, and opens up the possibilities of structure-guided novel drug discovery targeting this therapeutically important receptor.

Abstract The complement cascade is an integral part of innate immunity, and it plays a crucial role in our body’s innate immune response including combating microbial infections. Activation of the complement cascade results in the generation of multiple peptide fragments, of which complement C3a and C5a are potent anaphylatoxins. The complement C3a binds and activates a G protein-coupled receptor (GPCR) known as C3aR while C5a activates two distinct receptors namely C5aR1 and C5aR2. Our current understanding of complement peptide recognition by their corresponding receptors is limited primarily to biochemical studies, and direct structural visualization of ligand-receptor complexes is still elusive. Here, we present structural snapshots of C3aR in complex with heterotrimeric G-proteins, with the receptor in ligand-free state, activated by full-length complement C3a, and a peptide agonist EP54, derived based on the carboxyl-terminal sequence of C5a. A comprehensive analysis of these structures uncovers the critical residues involved in C3a-C3aR interaction, and also provides molecular insights to rationally design carboxyl-terminal fragments of C3a and C5a to act as potent agonists of the receptor. Surprisingly, a comparison of C3a-C3aR structure with C5a-C5aR1 structure reveals diagonally opposite placement of these two complement peptides on their respective receptors, which helps explain the subtype selectivity of these complement peptides. Finally, taking lead from the structural insights, we also identify EP141, a peptide derived from the carboxyl-terminus of C3a, as a G-protein-biased agonist at C3aR. Taken together, our study illuminates the structural mechanism of complement C3a recognition by C3aR, and it also offers the first structural template for designing novel C3aR ligands with therapeutic potential for inflammatory disorders.