The Omicron variant of SARS-CoV-2 has rapidly become the dominant infective strain and the focus efforts against the ongoing COVID-19 pandemic. Here we report an extensive set of structures of the Omicron spike trimer by its own or in complex with ACE2 and an anti-Omicron antibody. These structures reveal that most Omicron mutations are located on the surface of the spike protein, which confer stronger ACE2 binding by nearly 10 folds but become inactive epitopes resistant to many therapeutic antibodies. Importantly, both RBD and the closed conformation of the Omicron spike trimer are thermodynamically unstable, with the melting temperature of the Omicron RBD decreased by as much as 7°C, making the spiker trimer prone to random open conformations. An unusual RBD-RBD interaction in the ACE2-spike complex unique to Omicron is observed to support the open conformation and ACE2 binding, serving the basis for the higher infectivity of Omicron. A broad-spectrum therapeutic antibody JMB2002, which has completed Phase 1 clinical trial, is found to interact with the same two RBDs to inhibit ACE2 binding, in a mode that is distinguished from all previous antibodies, thus providing the structural basis for the potent inhibition of Omicron by this antibody. Together with biochemical data, our structures provide crucial insights into higher infectivity, antibody evasion and inhibition of Omicron.

Abstract Follicle stimulating hormone (FSH) is an essential glycoprotein hormone for human reproduction, which functions are mediated by a G protein-coupled receptor, FSHR. Aberrant FSH-FSHR signaling causes infertility and ovarian hyperstimulation syndrome. Here we report cryo-EM structures of FSHR in both inactive and active states, with the active structure bound to FSH and an allosteric agonist compound 21f. The structures of FSHR are similar to other glycoprotein hormone receptors, highlighting a conserved activation mechanism of hormone-induced receptor activation. Compound 21f formed extensive interactions with the TMD to directly activate FSHR. Importantly, the unique residue H615 7.42 in FSHR plays an essential role in determining FSHR selectivity for various allosteric agonists. Together, our structures provide a molecular basis of FSH and small allosteric agonist-mediated FSHR activation, which could inspire the design of FSHR-targeted drugs for the treatment of infertility and controlled ovarian stimulation for in vitro fertilization.

Abstract Ghrelin, also called “the hunger hormone”, is a gastric peptide hormone that regulates food intake, body weight, as well as taste sensation, reward cognition, learning and memory. One unique feature of ghrelin is its acylation, primarily with an octanoic acid, which is essential for its binding and activation of the ghrelin receptor, a G protein-coupled receptor. The multifaceted roles of ghrelin make ghrelin receptor a highly attractive drug target for growth retardation, obesity, and metabolic disorders. Here we present two cryo-electron microscopy structures of G q -coupled ghrelin receptor bound to ghrelin and a synthetic agonist, GHRP-6. Analysis of these two structures reveals a unique binding pocket for the octanoyl group, which guides the correct positioning of the peptide to initiate the receptor activation. Together with mutational and functional data, our structures define the rules for recognition of the acylated peptide hormone and activation of ghrelin receptor, and provide structural templates to facilitate drug design targeting ghrelin receptor.

Abstract Migraine headache has become global pandemics and is the number one reason of work day loss. The most common drugs for anti-migraine are the triptan class of drugs that are agonists for serotonin receptors 5-HT 1B and 5-HT 1D. However, these drugs have side effects related to vasoconstriction that could have fatal consequences of ischemic heart disease and myocardial infarction. Lasmiditan is a new generation of anti-migraine drug that selectively binds to the serotonin receptor 5-HT 1F due to its advantage over the tripan class of anti-migraine drugs. Here we report the cryo-EM structure of the 5-HT 1F in complex with Lasmiditan and the inhibitory G protein heterotrimer. The structure reveals the mechanism of 5-HT 1F -selective activation by Lasmiditan and provides a template for rational design of anti-migraine drugs.

Summary Glucose homeostasis, regulated by glucose-dependent insulinotropic polypeptide (GIP), glucagon-like peptide-1 (GLP-1) and glucagon (GCG) is critical to human health. Several multi-targeting agonists at GIPR, GLP-1R or GCGR, developed to maximize metabolic benefits with reduced side-effects, are in clinical trials to treat type 2 diabetes and obesity. To elucidate the molecular mechanisms by which tirzepatide, a GIPR/GLP-1R dualagonist, and peptide 20, a GIPR/GLP-1R/GCGR triagonist, manifest their superior efficacies over monoagonist such as semaglutide, we determined cryo-electron microscopy structures of tirzepatide-bound GIPR and GLP-1R as well as peptide 20-bound GIPR, GLP-1R and GCGR The structures reveal both common and unique features for the dual and triple agonism by illustrating key interactions of clinical relevance at the atomic level. Retention of glucagon function is required to achieve such an advantage over GLP-1 monotherapy. Our findings provide valuable insights into the structural basis of functional versatility and therapeutic supremacy of tirzepatide and peptide 20.

Thyroid stimulating hormone (TSH), through activation of its G protein-coupled receptor TSHR, controls the synthesis of thyroid hormone (TH), an essential metabolic hormone. Aberrant signaling of TSHR by autoantibodies causes Graves’ disease and hypothyroidism that affect millions of patients worldwide. Here we report the active structures of TSHR with TSH and an activating autoantibody M22, both bound to an allosteric agonist ML-109, as well as an inactive TSHR structure with inhibitory antibody K1-70. Both TSH and M22 push the extracellular domain (ECD) of TSHR into the upright active conformation. In contrast, K1-70 blocks TSH binding and is incapable of pushing the ECD to the upright conformation. Comparisons of the active and inactive structures of TSHR with those of the luteinizing hormone–choriogonadotropin receptor (LHCGR) reveal a universal activation mechanism of glycoprotein hormone receptors, in which a conserved 10-residue fragment (P10) from the hinge C-terminal loop mediated interactions from the receptor ECD to its transmembrane domain. One surprisingly feature is that there are over 15 cholesterols surrounding TSHR, supporting its preferential location in lipid rafts. These structures also highlight a common mechanism for TSH and autoantibody M22 to activate TSHR, thus providing the molecular basis for Graves’ disease.

Abstract The glucagon-like peptide-1 (GLP-1) receptor is a validated drug target for metabolic disorders. Ago-allosteric modulators are capable of acting both as agonists on their own and as efficacy enhancers of orthosteric ligands. However, the molecular details of ago-allosterism remain elusive. Here, we report three cryo-electron microscopy structures of GLP-1R bound to (i) compound 2 (an ago-allosteric modulator); (ii) compound 2 and GLP-1; and (iii) compound 2 and LY3502970 (a small molecule agonist), all in complex with heterotrimeric G s . The structures reveal that compound 2 is covalently bonded to C347 at the cytoplasmic end of TM6 and triggers its outward movement in cooperation with the ECD whose N terminus penetrates into the GLP-1 binding site. This allows compound 2 to execute positive allosteric modulation through enhancement of both agonist binding and G protein coupling. Our findings offer the structural basis of ago-allosterism at GLP-1R and new knowledge to design better therapeutics.

Peptide hormones and neuropeptides are complex signaling molecules that predominately function through G protein-coupled receptors (GPCRs). Two fundamental questions remained in the field of peptide-GPCR signaling systems are the basis for the diverse binding mode of peptide ligands and the specificity of G protein coupling. Here we report the structures of a neuropeptide, galanin, bound to its receptors, GAL1R and GAL2R, in complex with their primary G protein subtypes G i and G q , respectively. The structures reveal a unique binding pose of galanin, which almost ‘lay flat’ on the top of the receptor transmembrane domain pocket in an α-helical conformation, and acts as an ‘allosteric-like’ agonist via a distinct signal transduction cascade. The structures also uncover the important features of intracellular loop 2 (ICL2) that mediate specific interactions with G q , thus determining the selective coupling of G q to GAL2R. ICL2 replacement in G i -coupled GAL1R, μOR, 5-HT 1A R, and G s -coupled b2AR and D1R with that of GAL2R promotes G q coupling of these receptors, highlighting the dominant roles of ICL2 in G q selectivity. Together our results provide important insights into peptide ligand recognition and allosteric activation of galanin receptors and uncover a general structural element for G q coupling selectivity.

Abstract Neuromedin U receptors (NMURs), including NMUR1 and NMUR2, are a group of G q/11 -coupled G protein-coupled receptors (GPCRs) related to pleiotropic physiological functions. Upon stimulation by two endogenous neuropeptides, neuromedin U and S (NMU and NMS) with similar binding affinities, NMUR1 and NMUR2 primarily display distinct peripheral tissue and central nervous system (CNS) functions, respectively, due to their distinct tissue distributions. These NMU receptors have triggered extensive attention as drug targets for obesity and immune inflammation. Specifically, selective agonists for NMUR1 in peripheral tissue show promising long-term anti-obesity effects with fewer CNS-related side effects. However, the mechanisms of peptide binding specificity and receptor activation remain elusive due to the lack of NMU receptor structures, which hamper drug design targeting NMU receptors. Here, we report four cryo-electron microscopy structures of G q chimera-coupled NMUR1 and NMUR2 bound with NMU and NMS. These structures present the conserved overall peptide-binding mode and reveal the mechanism of peptide selectivity for specific NMURs, as well as the common activation mechanism of the NMUR subfamily. Together, these findings provide insights into the molecular basis of the peptide recognition selectivity and offer a new opportunity for designing selective drugs targeting NMURs.

Luteinizing hormone (LH) and chorionic gonadotropin (CG) are members of the glycoprotein hormone family essential to human reproduction and are important therapeutic drugs. They activate the same G protein-coupled receptor, LHCGR, by binding to the large extracellular domain (ECD). Here we report four cryo-EM structures of LHCGR, two wildtype receptor structures in the inactive and active states, and two constitutively active mutated receptor structures. The active structures are bound to CG and Gs heterotrimer, with one of the structure also containing the allosteric agonist, Org43553. The structures reveal a distinct ‘push and pull” mechanism of receptor activation, in which the ECD is pushed by the bound hormone and pulled by the extended hinge loop next to the transmembrane domain (TMD). A highly conserved 10-residue fragment (P10) from the hinge C-terminal loop at the ECD-TMD interface functions as a tethered agonist to induce conformational changes in TMD and G-protein coupling. Org43553 binds to a TMD pocket and interacts directly with P10 that further stabilizes the receptor in the active conformation. Together, these structures provide a common model for understanding glycoprotein hormone signal transduction and dysfunction, and inspire the search for clinically suitable small molecular compounds to treat endocrine diseases.