Close-up view of the nuclear periphery Cell biologists would like to be able to visualize complexes inside cells at molecular resolution. Several limitations, however, have prevented the field from realizing this goal. The thickness of most cells precludes cryo-electron tomography, a technique which itself does not provide sufficient contrast. Mahamid et al. successfully combined recent advances on both fronts to analyze structures in situ at the periphery of the nucleus. Their images reveal features that inform our understanding of the native organization of nuclear pores and of the nuclear lamina. Science , this issue p. 969

Significance Biological electron cryomicroscopy is limited by the radiation sensitivity of the samples and the consequent need to minimize exposure to the beam. This, in turn, results in low-contrast images with a poor signal-to-noise ratio. The current practice to improve phase contrast by defocusing results in contrast transfer functions necessitating image restoration to provide interpretable data. Phase plates enable in-focus phase contrast, but the existing ones, including the thin film Zernike-type phase plate, suffer from severe limitations, such as a short usable life span, fringing artifacts, and problems in using them in automated data acquisition procedures. The Volta phase plate presented here solves those problems and has the potential to become a practical solution for in-focus phase contrast in transmission electron microscopy.

Class B G-protein-coupled receptors are major targets for the treatment of chronic diseases, such as osteoporosis, diabetes and obesity. Here we report the structure of a full-length class B receptor, the calcitonin receptor, in complex with peptide ligand and heterotrimeric Gαsβγ protein determined by Volta phase-plate single-particle cryo-electron microscopy. The peptide agonist engages the receptor by binding to an extended hydrophobic pocket facilitated by the large outward movement of the extracellular ends of transmembrane helices 6 and 7. This conformation is accompanied by a 60° kink in helix 6 and a large outward movement of the intracellular end of this helix, opening the bundle to accommodate interactions with the α5-helix of Gαs. Also observed is an extended intracellular helix 8 that contributes to both receptor stability and functional G-protein coupling via an interaction with the Gβ subunit. This structure provides a new framework for understanding G-protein-coupled receptor function. Volta phase-plate cryo-electron microscopy reveals the structure of the full-length calcitonin receptor in complex with its peptide ligand and Gαsβγ. The use of cryo-electron microscopy (cryo-EM) in structural biology has exploded in recent years as it provides structural information at near atomic resolution without the need for crystallization. However, cryo-EM has typically been limited to proteins larger than 200 kDa because of issues with low contrast. Patrick Sexton and colleagues report the structure of the full-length calcitonin receptor in complex with its peptide ligand and Gαsβγ protein by Volta phase-plate single-particle cryo-EM. This is the first G-protein-coupled receptor (GPCR) structure to be solved at high resolution by cryo-EM, the first full-length class B GPCR reported and only the second in complex with the full heterotrimeric G protein. The structure shows the GPCR in the active state and reveals key information about the conformational changes associated with peptide agonist binding and G-protein coupling in class B receptors.

Abstract Cryo-electron microscopy (cryo-EM) experienced game-changing hardware and software advances about a decade ago. Since then, there have been gradual and steady improvements in experimental and data analysis methods. Nonetheless, structural analysis of nonsymmetric membrane proteins, such as G protein-coupled receptors (GPCRs), remains challenging. Their relatively low molecular weight and obstruction by the micelle/nanodisc result in marginal signal levels, which combined with the intrinsic flexibility of such complexes creates difficult structural study scenarios. Pushing the performance limits of cryo-EM requires careful optimization of all experimental aspects. To this end, it is necessary to build quantitative knowledge of the effect each parameter has on the outcome. Here, we present in-depth analysis of the influence of the main cryo-EM experimental factors on the performance for GPCR structure determination. We used a tandem experiment approach that combined real-world structural studies with parameter testing. We quantified the effects of using a Volta phase plate, zero-loss energy filtering, objective lens aperture, defocus magnitude, total exposure, and grid type. Through such systematic optimization of the experimental conditions, it has been possible to routinely determine class B1 GPCR structures at resolutions better than 2.5 Å. The improved fidelity of such maps helps to build higher confidence atomic models and will be crucial for the future expansion of cryo-EM into the structure-based drug design domain. The optimization guidelines drafted here are not limited to GPCRs and can be applied directly for the study of other challenging membrane protein targets.

ABSTRACT The glucagon-like peptide-1 receptor (GLP-1R) has broad physiological roles and is a validated target for treatment of metabolic disorders. Despite recent advances in GLP-1R structure elucidation, detailed mechanistic understanding of how different peptides generate profound differences in G protein-mediated signalling is still lacking. Here we have combined cryo-electron microscopy, molecular dynamics simulations, receptor mutagenesis and pharmacological assays, to interrogate the mechanism and consequences of GLP-1R binding by four peptide agonists; glucagon-like peptide-1, oxyntomodulin, exendin-4 and exendin-P5. These data revealed that distinctions in peptide N-terminal interactions and dynamics with the GLP-1R transmembrane domain are reciprocally associated with differences in the allosteric coupling to G proteins. In particular, transient interactions with residues at the base of the binding cavity correlate with enhanced kinetics for G protein activation, providing a rationale for differences in G protein-mediated signalling efficacy from distinct agonists.

Abstract G protein-coupled receptors (GPCRs) are critical regulators of cellular function acting via heterotrimeric G proteins as their primary transducers with individual GPCRs capable of pleiotropic coupling to multiple G proteins. Structural features governing G protein selectivity and promiscuity are currently unclear. Here we used cryo-electron microscopy to determine structures of the CCK1R bound to the CCK peptide agonist, CCK-8 and two distinct transducer proteins, its primary transducer Gq, and the more weakly coupled Gs. As seen with other Gq/11-GPCR complexes, the Gq-α5 helix bound to a relatively narrow pocket in the CCK1R core. Surprisingly, the backbone of the CCK1R and volume of the G protein binding pocket was essentially equivalent when Gs was bound, with the Gs α5 helix displaying a conformation that arises from “unwinding” of the far C-terminal residues, compared to canonically Gs coupled receptors. Thus, integrated changes in the conformations of both the receptor and G protein play critical roles in the promiscuous coupling of individual GPCRs. One-Sentence Summary Cryo-EM structures of the CCK-1R reveal key mechanisms for promiscuous G protein coupling.

ABSTRACT Recent advances in G protein-coupled receptor (GPCR) structural elucidation have strengthened previous hypotheses that multi-dimensional signal propagation mediated by these receptors is, in part, dependent on their conformational mobility. However, the relationship between receptor function and static structures determined via crystallography or cryo-electron microscopy is not always clear. This study examines the contribution of peptide agonist conformational plasticity to activation of the glucagon-like peptide-1 receptor (GLP-1R), an important clinical target. We employ variants of the peptides GLP-1 and exendin-4 to explore the interplay between helical propensity near the agonist N-terminus and the ability to bind to and activate the receptor. Cryo-EM analysis of a complex involving an exendin-4 analogue, the GLP-1R and G s protein revealed two receptor conformers with distinct modes of peptide-receptor engagement. Our functional and structural data suggest that receptor conformational dynamics associated with flexibility of the peptide N-terminal activation domain may be a key determinant of agonist efficacy.

SUMMARY The glucagon-like peptide-1 receptor (GLP-1R) regulates insulin secretion, carbohydrate metabolism and appetite, and is an important target for treatment of type II diabetes and obesity. Multiple GLP-1R agonists have entered into clinical trials, such as semaglutide, progressing to approval. Others, including taspoglutide, failed through high incidence of side-effects or insufficient efficacy. GLP-1R agonists have a broad spectrum of signalling profiles. However, molecular understanding is limited by a lack of structural information on how different GLP-1R agonists engage with the GLP-1R. In this study, we determined cryo-electron microscopy (cryo-EM) structures of GLP-1R-Gs protein complexes bound with semaglutide and taspoglutide. These revealed similar peptide binding modes to that previously observed for GLP-1. However, 3D variability analysis of the cryo-EM micrographs revealed different motions within the bound peptides and the receptor relative to when GLP-1 is bound. This work provides novel insights into the molecular determinants of peptide engagement with the GLP-1R.

Abstract Allosteric modulation of G protein-coupled receptors (GPCRs) is a major paradigm in drug discovery. Despite decades of research, a molecular level understanding of the general principals that govern the myriad pharmacological effects exerted by GPCR allosteric modulators remains limited. The M 4 muscarinic acetylcholine receptor (M 4 mAChR) is a well-validated and clinically relevant allosteric drug target for several major psychiatric and cognitive disorders. Here, we present high-resolution cryo-electron microscopy structures of the M 4 mAChR bound to a cognate G i1 protein and the high affinity agonist, iperoxo, in the absence and presence of two different positive allosteric modulators, LY2033298 or VU0467154. We have also determined the structure of the M 4 mAChR-G i1 complex bound to its endogenous agonist, acetylcholine (ACh). Structural comparisons, together with molecular dynamics, mutagenesis, and pharmacological validations, have provided in-depth insights into the role of structure and dynamics in orthosteric and allosteric ligand binding, global mechanisms of receptor activation, cooperativity, probe-dependence, and species variability; all key hallmarks underpinning contemporary GPCR drug discovery.

Abstract G protein-coupled receptors (GPCRs) are the largest class of cell surface drug targets. Advances in biochemical approaches for the stabilisation of GPCR:transducer complexes together with improvements in the technology and application of cryo-EM has recently opened up new possibilities for structure-assisted drug design of GPCR agonists. Nonetheless, limitations in the commercial application of some of these approaches, including the use of nanobody 35 (Nb35) for stabilisation of GPCR:Gs complexes, and the high cost of 300kV imaging have restricted broad application of cryo-EM in drug discovery. Here, using the PF 06882961-bound GLP-1R as exemplar, we validated formation of stable complexes with a modified Gs protein in the absence of Nb35 that had equivalent resolution in the drug binding pocket to complexes solved in the presence of Nb35, while the G protein displayed increased conformational dynamics. In parallel, we assessed the performance of 200kV versus 300kV image acquisition using a Falcon 4 or K3 direct electron detector. We show that with 300kV Krios, both bottom mounted Falcon 4 and energy filtered (25eV slit) Bio-Quantum K3 produced similar resolution. Moreover, the 200kV Glacios with bottom mounted Falcon 4 yielded a 3.2 Å map with clear density for bound drug and multiple structurally ordered waters. Our work paves the way for broader commercial application of cryo-EM for GPCR drug discovery.