Significance Of the many receptors that were pharmacologically described during the 20th century, almost all were cloned by the end of the 1990s. A key exception is the σ 2 receptor, a potential therapeutic target for diseases as diverse as schizophrenia, Alzheimer’s disease, and cancer. Despite the development of a rich pharmacopeia, the unknown molecular identity of the receptor has crippled biological investigation. Here, we identify the σ 2 receptor as TMEM97, a membrane protein implicated in cancer and a binding partner of Niemann–Pick disease protein NPC1. Our results unite two fields of research, bringing the σ 2 receptor into the modern age of biological inquiry and providing the TMEM97 field with a rich pool of ligands and pharmacological tools.

Repurposing drugs as treatments for COVID-19, the disease caused by severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), has drawn much attention. Beginning with sigma receptor ligands and expanding to other drugs from screening in the field, we became concerned that phospholipidosis was a shared mechanism underlying the antiviral activity of many repurposed drugs. For all of the 23 cationic amphiphilic drugs we tested, including hydroxychloroquine, azithromycin, amiodarone, and four others already in clinical trials, phospholipidosis was monotonically correlated with antiviral efficacy. Conversely, drugs active against the same targets that did not induce phospholipidosis were not antiviral. Phospholipidosis depends on the physicochemical properties of drugs and does not reflect specific target-based activities-rather, it may be considered a toxic confound in early drug discovery. Early detection of phospholipidosis could eliminate these artifacts, enabling a focus on molecules with therapeutic potential.

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

Repurposing drugs as treatments for COVID-19 has drawn much attention. A common strategy has been to screen for established drugs, typically developed for other indications, that are antiviral in cells or organisms. Intriguingly, most of the drugs that have emerged from these campaigns, though diverse in structure, share a common physical property: cationic amphiphilicity. Provoked by the similarity of these repurposed drugs to those inducing phospholipidosis, a well-known drug side effect, we investigated phospholipidosis as a mechanism for antiviral activity. We tested 23 cationic amphiphilic drugs-including those from phenotypic screens and others that we ourselves had found-for induction of phospholipidosis in cell culture. We found that most of the repurposed drugs, which included hydroxychloroquine, azithromycin, amiodarone, and four others that have already progressed to clinical trials, induced phospholipidosis in the same concentration range as their antiviral activity; indeed, there was a strong monotonic correlation between antiviral efficacy and the magnitude of the phospholipidosis. Conversely, drugs active against the same targets that did not induce phospholipidosis were not antiviral. Phospholipidosis depends on the gross physical properties of drugs, and does not reflect specific target-based activities, rather it may be considered a confound in early drug discovery. Understanding its role in infection, and detecting its effects rapidly, will allow the community to better distinguish between drugs and lead compounds that more directly impact COVID-19 from the large proportion of molecules that manifest this confounding effect, saving much time, effort and cost.

Abstract The σ 2 receptor is a poorly understood transmembrane receptor that has attracted intense interest in many areas of biology including cancer imaging, Alzheimer’s disease, schizophrenia, and neuropathic pain. However, little is known regarding the molecular details of the receptor, and few highly selective ligands are available. Here, we report the crystal structure of the σ 2 receptor in complex with the clinical drug candidate roluperidone and the probe compound PB28. These structures, in turn, templated a large-scale docking screen of 490 million make-on-demand molecules. Of these, 484 compounds were synthesized and tested, prioritizing not only high-ranking docked molecules, but also those with mediocre and poor scores. Overall, 127 compounds with binding affinities superior to 1 μM were identified, all in new chemotypes, 31 of which had affinities superior to 50 nM. Intriguingly, hit rate fell smoothly and monotonically with docking score. Seeking to develop selective and biologically active probe molecules, we optimized three of the original docking hits for potency and for selectivity, achieving affinities in the 3 to 48 nM range and to up to 250-fold selectivity vs. the σ 1 receptor. Crystal structures of the newly discovered ligands bound to the σ 2 receptor were subsequently determined, confirming the docked poses. To investigate the contribution of the σ 2 receptor in pain processing, and to distinguish it from the contribution of the σ 1 receptor, two potent σ 2 -selective and one potent σ 1 /σ 2 non-selective ligand were tested for efficacy in a mouse model of neuropathic pain. All three ligands demonstrated timedependent decreases in mechanical hypersensitivity in the spared nerve injury model, supporting a role for the σ 2 receptor in nociception, and a possible role for σ 1 /σ 2 polypharmacology. This study illustrates the opportunities for rapid discovery of in vivo active and selective probes to study under-explored areas of biology using structurebased screens of diverse, ultra-large libraries following the elucidation of protein structures.

Abstract Bacteria from the orders Bacillales and Clostridiales differentiate into stress-resistant spores that can remain dormant for years, yet rapidly germinate upon nutrient sensing. How spores monitor nutrients is poorly understood but in most cases requires putative membrane receptors. The prototypical receptor from Bacillus subtilis consists of three proteins (GerAA, GerAB, GerAC) required for germination in response to L-alanine. GerAB belongs to the Amino Acid-Polyamine-Organocation superfamily of transporters. Using evolutionary co-variation analysis, we provide evidence that GerAB adopts a structure similar to an L-alanine transporter from this superfamily. We show that mutations in gerAB predicted to disrupt the ligand-binding pocket impair germination, while mutations predicted to function in L-alanine recognition enable spores to respond to L-leucine or L-serine. Finally, substitutions of bulkier residues at these positions cause constitutive germination. These data suggest that GerAB is the L-alanine sensor and that B subunits in this broadly conserved family function in nutrient detection.

ABSTRACT In the parasite Trypanosoma brucei , the causative agent of human African sleeping sickness, all mRNAs are trans -spliced to generate a common 5’ exon derived from the spliced leader RNA (SL RNA). Perturbations of protein translocation across the endoplasmic reticulum (ER) induce the spliced leader RNA silencing (SLS) pathway. SLS activation is mediated by a serine-threonine kinase, PK3, which translocates from the cytosolic face of the ER to the nucleus, where it phosphorylates the TATA binding protein TRF4, leading to the shut-off of SL RNA transcription, followed by induction of programmed cell death. Here, we demonstrate that SLS is also induced by depletion of the essential ER resident chaperones BiP and calreticulin, ER oxidoreductin 1 (ERO1), and the Golgi-localized quiescin sulfhydryl oxidase (QSOX1). Most strikingly, silencing of Rhomboid-like 1(TIMRHOM1) involved in mitochondrial protein import, also induces SLS. The PK3 kinase, which integrates SLS signals, is modified by phosphorylation on multiple sites. To determine which of the phosphorylation events activate PK3, several individual mutations or their combination were generated. These mutations failed to completely eliminate the phosphorylation or translocation of the kinase to the nucleus. The structure of PK3 kinase and its ATP binding domain were therefore modeled. A conserved phenylalanine at position 771 was proposed to interact with ATP, and the PK3 F771L mutation completely eliminated phosphorylation under SLS, suggesting that the activation involves most if not all the phosphorylation sites. The study suggests that the SLS occurs broadly in response to failures in protein sorting, folding, or modification across multiple compartments.

Abstract Activation of various inflammasomes converges on the cleavage of gasdermin D (GSDMD) by pro-inflammatory caspases, followed by oligomerization of the N-terminal domain (GSDMD NT ) and the assembly of pores penetrating target membranes. Yet, it remained unclear what triggers the conformational changes that allow membrane insertion, as methods to study pore formation in living cells were limited. We raised nanobodies specific for human GSDMD and found two nanobodies that prevent pyroptosis and IL-1β release when expressed in the cytosol of human macrophages. Nanobody binding to GSDMD NT blocked its oligomerization, while inflammasome assembly and GSDMD processing itself were not affected. The nanobody-stabilized monomers of GSDMD NT partitioned into the plasma membrane, suggesting that pore formation is initiated by insertion of monomers, followed by oligomerization in the target membrane. When GSDMD pore formation was inhibited, cells still underwent caspase-1-dependent apoptosis, likely due to the substantially augmented caspase-1 activity. This hints at a novel layer of regulation of caspase-1 activity by GSDMD pores. Moreover, we revealed the unexpected therapeutic potential of antagonistic GSDMD nanobodies, as recombinant nanobodies added to the medium prevented cell death by pyroptosis, likely by entering through GSDMD pores and curtailing the assembly of additional pores. GSDMD nanobodies may thus be suitable to treat the ever-growing list of diseases caused by activation of the (non-) canonical inflammasomes.

Abstract Inflammasome activation results in the cleavage of gasdermin D (GSDMD) by pro-inflammatory caspases. The N-terminal domains (GSDMD NT ) oligomerize and assemble pores penetrating the target membrane. As methods to study pore formation in living cells are insufficient, the order of conformational changes, oligomerization, and membrane insertion remained unclear. We have raised nanobodies (VHHs) against human GSDMD and find that cytosolic expression of VHH GSDMD-1 and VHH GSDMD-2 prevents oligomerization of GSDMD NT and pyroptosis. The nanobody-stabilized GSDMD NT monomers partition into the plasma membrane, suggesting that membrane insertion precedes oligomerization. Inhibition of GSDMD pore formation switches cell death from pyroptosis to apoptosis, likely driven by the enhanced caspase-1 activity required to activate caspase-3. Recombinant antagonistic nanobodies added to the extracellular space prevent pyroptosis and exhibit unexpected therapeutic potential. They may thus be suitable to treat the ever-growing list of diseases caused by activation of (non-) canonical inflammasomes.