Most general anaesthetics and classical benzodiazepine drugs act through positive modulation of γ-aminobutyric acid type A (GABAA) receptors to dampen neuronal activity in the brain1–5. However, direct structural information on the mechanisms of general anaesthetics at their physiological receptor sites is lacking. Here we present cryo-electron microscopy structures of GABAA receptors bound to intravenous anaesthetics, benzodiazepines and inhibitory modulators. These structures were solved in a lipidic environment and are complemented by electrophysiology and molecular dynamics simulations. Structures of GABAA receptors in complex with the anaesthetics phenobarbital, etomidate and propofol reveal both distinct and common transmembrane binding sites, which are shared in part by the benzodiazepine drug diazepam. Structures in which GABAA receptors are bound by benzodiazepine-site ligands identify an additional membrane binding site for diazepam and suggest an allosteric mechanism for anaesthetic reversal by flumazenil. This study provides a foundation for understanding how pharmacologically diverse and clinically essential drugs act through overlapping and distinct mechanisms to potentiate inhibitory signalling in the brain. Cryo-electron microscopy structures of GABAA receptors bound to intravenous anaesthetics and benzodiazepines reveal both common and distinct transmembrane binding sites, and show that the mechanisms of action of anaesthetics partially overlap with those of benzodiazepines.

Abstract SARS-CoV-2 contains four structural proteins in its genome. These proteins aid in the assembly and budding of new virions at the ER-Golgi intermediate compartment (ERGIC). Current fundamental research efforts largely focus on one of these proteins – the spike (S) protein. Since successful antiviral therapies are likely to target multiple viral components, there is considerable interest in understanding the biophysical role of its other structural proteins, in particular structural membrane proteins. Here, we have focused our efforts on the characterization of the full-length envelope (E) protein from SARS-CoV-2, combining experimental and computational approaches. Recombinant expression of the full-length E protein from SARS-CoV-2 reveals that this membrane protein is capable of independent multimerization, possibly as a tetrameric or smaller species. Fluorescence microscopy shows that the protein localizes intracellularly, and coarse-grained MD simulations indicate it causes bending of the surrounding lipid bilayer, corroborating a potential role for the E protein in viral budding. Although we did not find robust electrophysiological evidence of ion-channel activity, cells transfected with the E protein exhibited reduced intracellular Ca 2+ , which may further promote viral replication. However, our atomistic MD simulations revealed that previous NMR structures are relatively unstable, and result in models incapable of ion conduction. Our study highlights the importance of using high-resolution structural data obtained from a full-length protein to gain detailed molecular insights, and eventually permitting virtual drug screening.

Abstract Ligand-gated ion channels conduct currents in response to chemical stimuli, mediating electrochemical signaling in neurons and other excitable cells. For many channels the mechanistic details of gating remain unclear, partly due to limited structural data and simulation timescales. Here, we used enhanced sampling to simulate the pH-gated channel GLIC, and construct Markov state models (MSMs) of gating transitions. Consistent with new functional recordings reported here in oocytes, our analysis revealed differential effects of protonation and mutation on free-energy wells. Clustering of closed-versus open-like states enabled estimation of open probabilities and transition rates in each condition, while higher-order clustering affirmed conformational trends in gating. Furthermore, our models uncovered state- and protonation-dependent symmetrization among subunits. This demonstrates the applicability of MSMs to map energetic and conformational transitions between ion-channel functional states, and how they correctly reproduce shifts upon activation or mutation, with implications for modeling neuronal function and developing state-selective drugs.

Abstract The α7 nicotinic acetylcholine receptor is a pentameric ligand-gated ion channel that modulates neuronal excitability, largely by allowing Ca 2+ permeation. Agonist binding promotes transition from a resting state to an activated state, and then rapidly to a desensitized state. Recently, cryo-EM structures of the human α7 receptor in nanodiscs were reported in multiple conformations. These were selectively stabilized by inhibitory, activating, or potentiating compounds. However, the functional annotation of these structures, and their differential interactions with unresolved lipids and ligands, remain incomplete. Here, we characterized their ion permeation, membrane interactions, and ligand binding using computational electrophysiology, free-energy calculations, and coarse-grained molecular dynamics. In contrast to non-conductive structures in apparent resting and desensitized states, the structure determined in the presence of the potentiator PNU-120596 was consistent with an activated state permeable to Ca 2+ . Transition to this state was associated with compression and rearrangement of the membrane, particularly in the vicinity of the peripheral MX helix. An intersubunit transmembrane site was implicated in selective binding of either PNU-120596 in the activated state, or cholesterol in the desensitized state. This substantiates functional assignment of all three lipid-embedded α7-receptor structures with ion permeation simulations. It also proposes testable models of their state-dependent interactions with lipophilic ligands, including a mechanism for allosteric modulation at the transmembrane subunit interface.

Abstract Pentameric ligand-gated ion channels undergo subtle conformational cycling to control electrochemical signal transduction in many kingdoms of life. Several crystal structures have now been reported in this family, but the functional relevance of such models remains unclear. Here, we used small-angle neutron scattering (SANS) to probe ambient solution-phase properties of the pH-gated bacterial ion channel GLIC under resting and activating conditions. Data collection was optimized by inline paused-flow size-exclusion chromatography, and exchanging into deuterated detergent to hide the micelle contribution. Resting-state GLIC was the best-fit crystal structure to SANS curves, with no evidence for divergent mechanisms. Moreover, enhanced-sampling molecular dynamics simulations enabled differential modeling in resting versus activating conditions, with the latter corresponding to an intermediate ensemble of both the extracellular and transmembrane domains. This work demonstrates state-dependent changes in a pentameric ion channel by SANS, an increasingly accessible method for macromolecular characterization with the coming generation of neutron sources.

Abstract Ligand-gated ion channels are critical mediators of electrochemical signal transduction across evolution. Biophysical and pharmacological development in this family relies on high-quality structural data in multiple, subtly distinct functional states. However, structural data remain limited, particularly for the unliganded or resting state. Here we report cryo-electron microscopy structures of the Gloeobacter violaceus ligand-gated ion channel (GLIC) under resting and activating conditions (neutral and low pH). Parallel models were built either manually or using recently developed density-guided molecular simulations. The moderate resolution of resting-state reconstructions, particularly in the extracellular domain, was improved under activating conditions, enabling the visualization of residues at key subunit interfaces including loops B, C, F, and M2–M3. Combined with molecular dynamics simulations, the cryo-electron microscopy structures at different pH describe a heterogeneous population of closed channels, with activating conditions condensing the closed-channel energy landscape on a pathway towards gating.

Abstract Pentameric ligand-gated ion channels (pLGICs) are crucial mediators of electrochemical signal transduction from bacteria to humans. Lipids play an important role in regulating pLGIC function, yet the structural basis for specific pLGIC-lipid interactions remains poorly understood. The bacterial channel ELIC recapitulates several properties of eukaryotic pLGICs, including activation by the neurotransmitter GABA and sensitivity to lipids, offering a simplified model system for structure-function studies. In this study, functional effects of non-canonical amino acid substitution of W206 at the top of the M1-helix, combined with detergent interactions observed in recent X-ray structures, are consistent with this region being the location of a lipid binding site on the outward face of the ELIC transmembrane domain. Coarse-grained and atomistic molecular dynamics simulations revealed preferential binding of lipids containing a positive charge, particularly involving interactions with residue W206 consistent with cation-π binding. Polar contacts from the principal subunit, particularly M3 residue Q264, further supported lipid binding via headgroup ester linkages. Aromatic residues were identified at analogous sites in a handful of eukaryotic family members, including the human GABA A receptor subunit ɛ, suggesting conservation of relevant interactions in other evolutionary branches. Further mutagenesis experiments indicated that mutations at this site in ɛ-containing GABA A receptors can change the apparent affinity of the agonist response to GABA, consistent with a potential role of this site in channel gating. In conclusion, this work is a detailed case study in type-specific lipid interactions at an evolutionarily distinctive pLGIC site, with implications for lipid modulation and lipophilic drug design.

Abstract We developed fluorescent protein sensors for nicotine with improved sensitivity. For iNicSnFR12 at pH 7.4, the proportionality constant for ΔF/F 0 vs [nicotine] (δ-slope, 2.7 μM -1 ) is 6.1-fold higher than the previously reported iNicSnFR3a. The activated state of iNicSnFR12 has a fluorescence quantum yield of at least 0.6. We measured similar dose-response relations for the nicotine-induced absorbance increase and fluorescence increase, suggesting that the absorbance increase leads to the fluorescence increase via the previously described nicotine-induced conformational change, the “candle snuffer” mechanism. Molecular dynamics (MD) simulations identified a binding pose for nicotine, previously indeterminate from experimental data. MD simulations also showed that Helix 4 of the periplasmic binding protein (PBP) domain appears tilted in iNicSnFR12 relative to iNicSnFR3a, likely altering allosteric network(s) that link the ligand binding site to the fluorophore. In thermal melt experiments, nicotine stabilized the PBP of the tested iNicSnFR variants. iNicSnFR12 resolved nicotine in diluted mouse and human serum at 100 nM, the peak [nicotine] that occurs during smoking or vaping, and possibly at the decreasing levels during intervals between sessions. NicSnFR12 was also partially activated by unidentified endogenous ligand(s) in biofluids. Improved iNicSnFR12 variants could become the molecular sensors in continuous nicotine monitors for animal and human biofluids.

Allosteric modulation of pentameric ligand-gated ion channels (pLGICs) is critical to the action of neurotransmitters and many psychoactive drugs. However, details of their modulatory mechanisms remain unclear, especially beyond the orthosteric neurotransmitter-binding sites. The recently reported prokaryotic channel sTeLIC, a pH-gated homolog of eukaryotic receptors in the pLGIC family, is thought to be modulated by aromatic compounds via a relatively uncharacterized modulatory site in the extracellular vestibule. Here, we show that sTeLIC is sensitive to potentiation by psychostimulant derivatives. By determining new cryo-EM and X-ray structures in closed and open states, and testing the impact of targeted mutations on electrophysiological behavior, we show that several amphiphilic compounds preferentially bind a vestibular pocket in the contracted open-state extracellular domain. This work provides a detailed structure-function mechanism for allosteric potentiation via a noncanonical ligand site, with potential conservation in eukaryotic pentameric ligand-gated ion channels.

The rise of open science and the absence of a global dedicated data repository for molecular dynamics (MD) simulations has led to the accumulation of MD files in generalist data repositories, constituting the dark matter of MD — data that is technically accessible, but neither indexed, curated, or easily searchable. Leveraging an original search strategy, we found and indexed about 250,000 files and 2000 datasets from Zenodo, Figshare and Open Science Framework. With a focus on files produced by the Gromacs MD software, we illustrate the potential offered by the mining of publicly available MD data. We identified systems with specific molecular composition and were able to characterize essential parameters of MD simulation such as temperature and simulation length, and could identify model resolution, such as all-atom and coarse-grain. Based on this analysis, we inferred metadata to propose a search engine prototype to explore the MD data. To continue in this direction, we call on the community to pursue the effort of sharing MD data, and to report and standardize metadata to reuse this valuable matter.