N-methyl-D-aspartate receptors are ionotropic glutamate receptors that are integral to synaptic transmission and plasticity. Variable GluN2 subunits in diheterotetrameric receptors with identical GluN1 subunits set very different functional properties, which support their individual physiological roles in the nervous system. To understand the conformational basis of this diversity, we assessed the conformation of the common GluN1 subunit in receptors with different GluN2 subunits using single-molecule fluorescence resonance energy transfer (smFRET). We established smFRET sensors in the ligand binding domain and modulatory amino-terminal domain to study an apo-like state and partially liganded activation intermediates, which have been elusive to structural analysis. Our results demonstrate a strong, subtype-specific influence of apo and glutamate-bound GluN2 subunits on GluN1 rearrangements, suggesting a conformational basis for the highly divergent levels of receptor activity, desensitization and agonist potency. Chimeric analysis reveals structural determinants that contribute to the subtype differences. Our study provides a framework for understanding GluN2-dependent functional properties and could open new avenues for subtype-specific modulation.

Metabotropic glutamate receptors belong to a family of G protein-coupled receptors that are obligate dimers and possess a large extracellular ligand-binding domain (ECD) that is linked via a cysteine-rich domain (CRDs) to their 7-transmembrane (TM) domain. Upon activation, these receptors undergo a large conformational change to transmit the ligand binding signal from the ECD to the G protein-coupling TM. In this manuscript, we propose a model for a sequential, multistep activation mechanism of metabotropic glutamate receptor subtype 5. We present a series of structures in lipid nanodiscs, from inactive to fully active, including agonist-bound intermediate states. Further, using bulk and single-molecule fluorescence imaging we reveal distinct receptor conformations upon allosteric modulator and G protein binding.

K2P potassium channels regulate excitability by affecting cellular resting membrane potential in the brain, cardiovascular system, immune cells, and sensory organs. Despite their important roles in anesthesia, arrhythmia, pain, hypertension, sleep, and migraine, the ability to control K2P function remains limited. Here, we describe a chemogenetic strategy termed CATKLAMP (Covalent Activation of TREK family K+ channels to cLAmp Membrane Potential) that leverages the discovery of a site in the K2P modulator pocket that reacts with electrophile bearing derivatives of a TREK subfamily small molecule activator, ML335, to activate the channel irreversibly. We show that the CATKLAMP strategy can be used to probe fundamental aspects of K2P function, as a switch to silence neuronal firing, and is applicable to all TREK subfamily members. Together, our findings exemplify a new means to alter K2P channel activity that should facilitate studies both molecular and systems level studies of K2P function and enable the search for new K2P modulators.

The G protein-coupled metabotropic glutamate receptors form homodimers and heterodimers with highly diverse responses to glutamate and varying physiological function. The molecular basis for this diversity remains poorly delineated. We employ molecular dynamics, single-molecule spectroscopy, and hydrogen-deuterium exchange to dissect the pathway of activation triggered by glutamate. We find that activation entails multiple loosely coupled steps and identify a novel pre-active intermediate whose transition to the active state forms dimer interactions that set signaling efficacy. Such subunit interactions generate functional diversity that differs across homodimers and heterodimers. The agonist-bound receptor is remarkably dynamic, with low occupancy of G protein-coupling conformations, providing considerable headroom for modulation of the landscape by allosteric ligands. Sites of sequence diversity within the dimerization interface and diverse coupling between activation rearrangements may contribute to precise decoding of glutamate signals and transients over broad spatial and temporal scales.

G protein coupled receptors (GPCRs) exhibit varying degrees of selectivity for different G protein isoforms. Despite the abundant structures of GPCR-G protein complexes, little is known about the mechanism of G protein coupling specificity. The β2-adrenergic receptor is an example of GPCR with high selectivity for Gαs, the stimulatory G protein for adenylyl cyclase, and much weaker for the Gαi family of G proteins inhibiting adenylyl cyclase. By developing a new Gαi-biased agonist (LM189), we provide structural and biophysical evidence supporting that distinct conformations at ICL2 and TM6 are required for coupling of the different G protein subtypes Gαs and Gαi. These results deepen our understanding of G protein specificity and bias and can accelerate the design of ligands that select for preferred signaling pathways.

Patterning light at the single-cell level over multiple neurons in the brain is crucial for optogenetic photostimulation that can recapitulate natural activity patterns and, thereby, determine the role of specific components of brain activity in behavior. To this end we have developed a method for projecting three-dimensional, 2-photon excitation patterns that are confined to many individual neurons. The new versatile optical scheme generates multiple extended excitation spots in a large volume with micrometric lateral and axial resolution. Two-dimensional temporally focused shapes are multiplexed several times over selected positions, thanks to the precise spatial phase modulation of the pulsed beam. This permits, under multiple configurations, the generation of tens of axially confined spots in an extended volume, spanning a range in depth of up to 500 μm. We demonstrate the potential of the approach by performing multi-cell volumetric excitation of photoactivatable GCaMP in the central nervous system of Drosophila larvae, a challenging structure with densely arrayed and small diameter neurons, and by photoconverting the fluorescent protein Kaede in zebrafish larvae. Our technique paves the way for the optogenetic manipulation of a large number of neurons in intact circuits.

Inherited retinal degenerations (IRDs) result in blindness due to apoptotic cell death of rods and cones, but spare other retinal neurons, providing a potential that delivery of a light-activated signaling protein to surviving neurons may restore vision. We previously demonstrated that aspects of vision could be restored by introduction into surviving cells of a G protein-coupled receptor for glutamate (mGluR) bearing a tethered photoswitchable agonist. However, this system, containing one photoswitchable agonist per glutamate binding site, yielded low sensitivity, responding only to visual stimuli at the intensity of bright outdoor light, similar to channelrhodopsins. To increase sensitivity, we designed a multi-branched photoswitch, bearing four light-activatable glutamates for each glutamate binding site. When tethered to a modified mGluR2 expressed in retinal ganglion cells via intravitreal AAV gene delivery, this photoswitch boosted sensitivity by ~100-fold compared to the unbranched (single photo-ligand) photoswitch. This improvement in sensitivity enabled an IRD mouse model ( rd1 ) to perform visually-guided object recognition under incidental room light and pattern recognition using standard LCD computer displays. The restored line pattern differentiation approached the acuity reported for normal mouse vision. Pattern recognition functioned as well as wildtype vision with line patterns moving at speeds of up to 36°/s. In summary, this two-component chemical-optogenetic approach combines high sensitivity and high acuity with superior motion vision, and, unlike optogenetic gene therapy, can be adjusted for dose, upgraded, as new photoswitches are developed, and discontinued at will.

K