Opium is one of the world's oldest drugs, and its derivatives morphine and codeine are among the most used clinical drugs to relieve severe pain. These prototypical opioids produce analgesia as well as many undesirable side effects (sedation, apnoea and dependence) by binding to and activating the G-protein-coupled µ-opioid receptor (µ-OR) in the central nervous system. Here we describe the 2.8 Å crystal structure of the mouse µ-OR in complex with an irreversible morphinan antagonist. Compared to the buried binding pocket observed in most G-protein-coupled receptors published so far, the morphinan ligand binds deeply within a large solvent-exposed pocket. Of particular interest, the µ-OR crystallizes as a two-fold symmetrical dimer through a four-helix bundle motif formed by transmembrane segments 5 and 6. These high-resolution insights into opioid receptor structure will enable the application of structure-based approaches to develop better drugs for the management of pain and addiction.

Despite recent advances in crystallography and the availability of G-protein-coupled receptor (GPCR) structures, little is known about the mechanism of their activation process, as only the β2 adrenergic receptor (β2AR) and rhodopsin have been crystallized in fully active conformations. Here we report the structure of an agonist-bound, active state of the human M2 muscarinic acetylcholine receptor stabilized by a G-protein mimetic camelid antibody fragment isolated by conformational selection using yeast surface display. In addition to the expected changes in the intracellular surface, the structure reveals larger conformational changes in the extracellular region and orthosteric binding site than observed in the active states of the β2AR and rhodopsin. We also report the structure of the M2 receptor simultaneously bound to the orthosteric agonist iperoxo and the positive allosteric modulator LY2119620. This structure reveals that LY2119620 recognizes a largely pre-formed binding site in the extracellular vestibule of the iperoxo-bound receptor, inducing a slight contraction of this outer binding pocket. These structures offer important insights into the activation mechanism and allosteric modulation of muscarinic receptors. Very little is known about how a G-protein-coupled receptor (GPCR) transitions from an inactive to an active state, but this study has solved the X-ray crystal structures of the human M2 muscarinic acetylcholine receptor bound to a high-affinity agonist in an active state and to a high-affinity agonist and a small-molecule allosteric modulator in an active state; the structures provide insights into the activation mechanism and allosteric modulation of muscarinic receptors. The structures of many G-protein-coupled receptors (GPCRs), including members of the class B and class F families, are now available but little is known about the transitions from the inactive to active states. In this study the authors solve the X-ray crystal structures of the human M2 muscarinic acetylcholine receptor in the active state bound to the agonist iperoxo alone and in combination with LY2119620, a positive allosteric modulator. The structures reveal that the activated M2 receptor has an extremely small orthosteric binding site, with LY2119620 'sitting' right on top of the agonist. The authors also note that the region that makes up the allosteric site in the inactive conformation of the M2 receptor is too large to bind to LY2119620; this means that the extracellular region needs to contract (by binding to the high-affinity agonist) before LY2119620 can bind to the allosteric site. This GPCR is essential for the physiological control of cardiovascular function, cognition, and pain perception, and since allosteric sites are less conserved in sequence and structure than the orthosteric binding site, the hope is that ligands that bind to allosteric sites could be turned into drugs that selectively interact with only one of the five muscarinic receptor subtypes.

The X-ray crystal structure of the M3 muscarinic acetylcholine receptor bound to the bronchodilator drug tiotropium is reported; comparison of this structure with that of the M2 muscarinic acetylcholine receptor reveals key differences that could potentially be exploited to develop subtype-selective drugs. The muscarinic acetylcholine receptors (mAChRs) constitute a family of G-protein-coupled receptors. These membrane proteins are targets for treatment of a broad range of conditions, including Alzheimer's disease, schizophrenia and chronic obstructive pulmonary disease. The five mAChR subtypes (M1–M5) share a high degree of sequence homology, but show marked differences in G-protein-coupling preference and physiological function. This pair of papers from Brian Kobilka's group presents the structures of two of the five subtypes. Haga et al. report the X-ray crystal structure of the M2 receptor, which is essential for the physiological control of cardiovascular function; Kruse et al. determine the structure of the M3 receptor, active in the bronchial airways and elsewhere. Comparison of the two structures reveals key differences that could potentially be exploited to develop subtype-selective drugs. Acetylcholine, the first neurotransmitter to be identified1, exerts many of its physiological actions via activation of a family of G-protein-coupled receptors (GPCRs) known as muscarinic acetylcholine receptors (mAChRs). Although the five mAChR subtypes (M1–M5) share a high degree of sequence homology, they show pronounced differences in G-protein coupling preference and the physiological responses they mediate2,3,4. Unfortunately, despite decades of effort, no therapeutic agents endowed with clear mAChR subtype selectivity have been developed to exploit these differences5,6. We describe here the structure of the Gq/11-coupled M3 mAChR (‘M3 receptor’, from rat) bound to the bronchodilator drug tiotropium and identify the binding mode for this clinically important drug. This structure, together with that of the Gi/o-coupled M2 receptor7, offers possibilities for the design of mAChR subtype-selective ligands. Importantly, the M3 receptor structure allows a structural comparison between two members of a mammalian GPCR subfamily displaying different G-protein coupling selectivities. Furthermore, molecular dynamics simulations suggest that tiotropium binds transiently to an allosteric site en route to the binding pocket of both receptors. These simulations offer a structural view of an allosteric binding mode for an orthosteric GPCR ligand and provide additional opportunities for the design of ligands with different affinities or binding kinetics for different mAChR subtypes. Our findings not only offer insights into the structure and function of one of the most important GPCR families, but may also facilitate the design of improved therapeutics targeting these critical receptors.

The X-ray crystal structure of the M2 muscarinic acetylcholine receptor, which is essential for the physiological control of cardiovascular function, is reported. The muscarinic acetylcholine receptors (mAChRs) constitute a family of G-protein-coupled receptors. These membrane proteins are targets for treatment of a broad range of conditions, including Alzheimer's disease, schizophrenia and chronic obstructive pulmonary disease. The five mAChR subtypes (M1–M5) share a high degree of sequence homology, but show marked differences in G-protein-coupling preference and physiological function. This pair of papers from Brian Kobilka's group presents the structures of two of the five subtypes. Haga et al. report the X-ray crystal structure of the M2 receptor, which is essential for the physiological control of cardiovascular function; Kruse et al. determine the structure of the M3 receptor, active in the bronchial airways and elsewhere. Comparison of the two structures reveals key differences that could potentially be exploited to develop subtype-selective drugs. The parasympathetic branch of the autonomic nervous system regulates the activity of multiple organ systems. Muscarinic receptors are G-protein-coupled receptors that mediate the response to acetylcholine released from parasympathetic nerves1,2,3,4,5. Their role in the unconscious regulation of organ and central nervous system function makes them potential therapeutic targets for a broad spectrum of diseases. The M2 muscarinic acetylcholine receptor (M2 receptor) is essential for the physiological control of cardiovascular function through activation of G-protein-coupled inwardly rectifying potassium channels, and is of particular interest because of its extensive pharmacological characterization with both orthosteric and allosteric ligands. Here we report the structure of the antagonist-bound human M2 receptor, the first human acetylcholine receptor to be characterized structurally, to our knowledge. The antagonist 3-quinuclidinyl-benzilate binds in the middle of a long aqueous channel extending approximately two-thirds through the membrane. The orthosteric binding pocket is formed by amino acids that are identical in all five muscarinic receptor subtypes, and shares structural homology with other functionally unrelated acetylcholine binding proteins from different species. A layer of tyrosine residues forms an aromatic cap restricting dissociation of the bound ligand. A binding site for allosteric ligands has been mapped to residues at the entrance to the binding pocket near this aromatic cap. The structure of the M2 receptor provides insights into the challenges of developing subtype-selective ligands for muscarinic receptors and their propensity for allosteric regulation.

The X-ray crystal structure of the mouse δ-opioid receptor in complex with the subtype-selective antagonist naltrindole is reported. Four papers in this issue of Nature present the long-awaited high-resolution crystal structures of the four known opioid receptors in ligand-bound conformations. These G-protein-coupled receptors are the targets of a broad range of drugs, including painkillers, antidepressants, anti-anxiety agents and anti-addiction medications. Brian Kobilka’s group reports the crystal structure of the µ-opioid receptor bound to a morphinan antagonist and the δ-opioid receptor bound to naltrindole. Raymond Stevens’ group reports on the κ-opioid receptor bound to the selective antagonist JDTic, and the nociceptin/orphanin FQ receptor bound to a peptide mimetic. In an associated News and Views, Marta Filizola and Lakshmi Devi discuss the implications of these landmark papers for research on the mechanisms underlying receptor function and drug development. The opioid receptor family comprises three members, the µ-, δ- and κ-opioid receptors, which respond to classical opioid alkaloids such as morphine and heroin as well as to endogenous peptide ligands like endorphins. They belong to the G-protein-coupled receptor (GPCR) superfamily, and are excellent therapeutic targets for pain control. The δ-opioid receptor (δ-OR) has a role in analgesia, as well as in other neurological functions that remain poorly understood1. The structures of the µ-OR and κ-OR have recently been solved2,3. Here we report the crystal structure of the mouse δ-OR, bound to the subtype-selective antagonist naltrindole. Together with the structures of the µ-OR and κ-OR, the δ-OR structure provides insights into conserved elements of opioid ligand recognition while also revealing structural features associated with ligand-subtype selectivity. The binding pocket of opioid receptors can be divided into two distinct regions. Whereas the lower part of this pocket is highly conserved among opioid receptors, the upper part contains divergent residues that confer subtype selectivity. This provides a structural explanation and validation for the ‘message–address’ model of opioid receptor pharmacology4,5, in which distinct ‘message’ (efficacy) and ‘address’ (selectivity) determinants are contained within a single ligand. Comparison of the address region of the δ-OR with other GPCRs reveals that this structural organization may be a more general phenomenon, extending to other GPCR families as well.

Elongation of rod-shaped bacteria is mediated by a dynamic peptidoglycan-synthetizing machinery called the Rod complex. Here we report that, in Bacillus subtilis, this complex is functional in the absence of all known peptidoglycan polymerases. Cells lacking these enzymes survive by inducing an envelope stress response that increases the expression of RodA, a widely conserved core component of the Rod complex. RodA is a member of the SEDS (shape, elongation, division and sporulation) family of proteins, which have essential but ill-defined roles in cell wall biogenesis during growth, division and sporulation. Our genetic and biochemical analyses indicate that SEDS proteins constitute a family of peptidoglycan polymerases. Thus, B. subtilis and probably most bacteria use two distinct classes of polymerase to synthesize their exoskeleton. Our findings indicate that SEDS family proteins are core cell wall synthases of the cell elongation and division machinery, and represent attractive targets for antibiotic development.

Here, by developing a high-affinity camelid antibody fragment that stabilizes the active state of the β2-adrenoceptor, the X-ray crystal structures of the receptor in complex with three agonists, including adrenaline, were determined. This study reports three structures of fully active human β2 adrenergic receptor (β2AR) in complex with diverse agonists: BI167107, hydroxybenzyl isoproterenol, and the endogenous agonist adrenaline. β2AR is a G-protein-coupled receptor (GPCR), ubiquitous membrane proteins that are targeted by many clinically used drugs. The molecular processes by which they bind to their endogenous agonists and activate effector proteins remain poorly understood. Despite the chemical diversity of the three agonists examined, all three stabilize highly similar active states in the receptor. Subtle structural differences provide insight into how a single GPCR is activated by multiple agonists, a phenomenon that is critically important to drug development. G-protein-coupled receptors (GPCRs) are integral membrane proteins that have an essential role in human physiology, yet the molecular processes through which they bind to their endogenous agonists and activate effector proteins remain poorly understood. So far, it has not been possible to capture an active-state GPCR bound to its native neurotransmitter. Crystal structures of agonist-bound GPCRs have relied on the use of either exceptionally high-affinity agonists1,2 or receptor stabilization by mutagenesis3,4,5. Many natural agonists such as adrenaline, which activates the β2-adrenoceptor (β2AR), bind with relatively low affinity, and they are often chemically unstable. Using directed evolution, we engineered a high-affinity camelid antibody fragment that stabilizes the active state of the β2AR, and used this to obtain crystal structures of the activated receptor bound to multiple ligands. Here we present structures of the active-state human β2AR bound to three chemically distinct agonists: the ultrahigh-affinity agonist BI167107, the high-affinity catecholamine agonist hydroxybenzyl isoproterenol, and the low-affinity endogenous agonist adrenaline. The crystal structures reveal a highly conserved overall ligand recognition and activation mode despite diverse ligand chemical structures and affinities that range from 100 nM to ∼80 pM. Overall, the adrenaline-bound receptor structure is similar to the others, but it has substantial rearrangements in extracellular loop three and the extracellular tip of transmembrane helix 6. These structures also reveal a water-mediated hydrogen bond between two conserved tyrosines, which appears to stabilize the active state of the β2AR and related GPCRs.

The crystal structure of β-arrestin-1 in complex with a fully phosphorylated 29-amino-acid carboxy-terminal peptide derived from the V2 vasopressin receptor is reported; the structure of the complex shows striking conformational differences in β-arrestin-1 when compared with its inactive conformation. Arrestin proteins are negative regulators of G-protein-coupled receptor (GPCR) function and also act as G-protein-independent signalling proteins. Before forming a high-affinity complex, arrestins must be activated, and two papers in this issue of Nature focus on the interaction between GCPRs and activated arrestin at the atomic scale. Yong Ju Kim et al. mimicked the initial activation step by truncating the carboxy terminus of arrestin to produce the naturally occurring splice variant called p44 and determined its crystal structure. This structure provides insight into the role of naturally occurring truncated arrestins in the visual system. Arun Shukla et al. present the structure of non-visual β-arrestin-1 in complex with an antibody fragment (Fab30) and a fully phosphorylated 29-amino-acid C-terminal peptide derived from a GPCR, the arginine vasopressin type 2 receptor. Taken together, these two studies reveal striking conformational changes associated with arrestin activation. The functions of G-protein-coupled receptors (GPCRs) are primarily mediated and modulated by three families of proteins: the heterotrimeric G proteins, the G-protein-coupled receptor kinases (GRKs) and the arrestins1. G proteins mediate activation of second-messenger-generating enzymes and other effectors, GRKs phosphorylate activated receptors2, and arrestins subsequently bind phosphorylated receptors and cause receptor desensitization3. Arrestins activated by interaction with phosphorylated receptors can also mediate G-protein-independent signalling by serving as adaptors to link receptors to numerous signalling pathways4. Despite their central role in regulation and signalling of GPCRs, a structural understanding of β-arrestin activation and interaction with GPCRs is still lacking. Here we report the crystal structure of β-arrestin-1 (also called arrestin-2) in complex with a fully phosphorylated 29-amino-acid carboxy-terminal peptide derived from the human V2 vasopressin receptor (V2Rpp). This peptide has previously been shown to functionally and conformationally activate β-arrestin-1 (ref. 5). To capture this active conformation, we used a conformationally selective synthetic antibody fragment (Fab30) that recognizes the phosphopeptide-activated state of β-arrestin-1. The structure of the β-arrestin-1–V2Rpp–Fab30 complex shows marked conformational differences in β-arrestin-1 compared to its inactive conformation. These include rotation of the amino- and carboxy-terminal domains relative to each other, and a major reorientation of the ‘lariat loop’ implicated in maintaining the inactive state of β-arrestin-1. These results reveal, at high resolution, a receptor-interacting interface on β-arrestin, and they indicate a potentially general molecular mechanism for activation of these multifunctional signalling and regulatory proteins.

Readily synthesized maltose–neopentyl glycol (MNG) amphiphiles are useful reagents for stabilizing, extracting and crystallizing a variety of integral membrane proteins and have favorable properties relative to conventional detergents. The understanding of integral membrane protein (IMP) structure and function is hampered by the difficulty of handling these proteins. Aqueous solubilization, necessary for many types of biophysical analysis, generally requires a detergent to shield the large lipophilic surfaces of native IMPs. Many proteins remain difficult to study owing to a lack of suitable detergents. We introduce a class of amphiphiles, each built around a central quaternary carbon atom derived from neopentyl glycol, with hydrophilic groups derived from maltose. Representatives of this maltose–neopentyl glycol (MNG) amphiphile family show favorable behavior relative to conventional detergents, as manifested in multiple membrane protein systems, leading to enhanced structural stability and successful crystallization. MNG amphiphiles are promising tools for membrane protein science because of the ease with which they may be prepared and the facility with which their structures may be varied.