Different patterns of GPCR phosphorylation produce distinct conformations of β-arrestin and specific downstream responses.

Classically, G protein-coupled receptor (GPCR) stimulation promotes G protein signaling at the plasma membrane, followed by rapid β-arrestin-mediated desensitization and receptor internalization into endosomes. However, it has been demonstrated that some GPCRs activate G proteins from within internalized cellular compartments, resulting in sustained signaling. We have used a variety of biochemical, biophysical, and cell-based methods to demonstrate the existence, functionality, and architecture of internalized receptor complexes composed of a single GPCR, β-arrestin, and G protein. These super-complexes or “megaplexes” more readily form at receptors that interact strongly with β-arrestins via a C-terminal tail containing clusters of serine/threonine phosphorylation sites. Single-particle electron microscopy analysis of negative-stained purified megaplexes reveals that a single receptor simultaneously binds through its core region with G protein and through its phosphorylated C-terminal tail with β-arrestin. The formation of such megaplexes provides a potential physical basis for the newly appreciated sustained G protein signaling from internalized GPCRs.

Single-particle electron microscopy and hydrogen–deuterium exchange mass spectrometry are used to characterize the structure and dynamics of a G-protein-coupled receptor–arrestin complex. Much has been learned about the structure of G-protein-coupled receptors (GCPRs) over the past seven years, but we still don't know what an activated GPCR looks like when it is bound to a β-arrestin. (Arrestins are cellular mediators with a broad range of functions, many of them involving GPCRs.) In this study the authors use single-particle electron microscopy and hydrogen–deuterium exchange mass spectrometry to characterize the structure and dynamics of a GPCR–arrestin complex. Their data support a 'biphasic' mechanism, in which the arrestin initially interacts with the phosphorylated carboxy terminus of the GPCR before re-arranging to more fully engage the membrane protein in a signalling-competent conformation. G-protein-coupled receptors (GPCRs) are critically regulated by β-arrestins, which not only desensitize G-protein signalling but also initiate a G-protein-independent wave of signalling1,2,3,4,5. A recent surge of structural data on a number of GPCRs, including the β2 adrenergic receptor (β2AR)–G-protein complex, has provided novel insights into the structural basis of receptor activation6,7,8,9,10,11. However, complementary information has been lacking on the recruitment of β-arrestins to activated GPCRs, primarily owing to challenges in obtaining stable receptor–β-arrestin complexes for structural studies. Here we devised a strategy for forming and purifying a functional human β2AR–β-arrestin-1 complex that allowed us to visualize its architecture by single-particle negative-stain electron microscopy and to characterize the interactions between β2AR and β-arrestin 1 using hydrogen–deuterium exchange mass spectrometry (HDX-MS) and chemical crosslinking. Electron microscopy two-dimensional averages and three-dimensional reconstructions reveal bimodal binding of β-arrestin 1 to the β2AR, involving two separate sets of interactions, one with the phosphorylated carboxy terminus of the receptor and the other with its seven-transmembrane core. Areas of reduced HDX together with identification of crosslinked residues suggest engagement of the finger loop of β-arrestin 1 with the seven-transmembrane core of the receptor. In contrast, focal areas of raised HDX levels indicate regions of increased dynamics in both the N and C domains of β-arrestin 1 when coupled to the β2AR. A molecular model of the β2AR–β-arrestin signalling complex was made by docking activated β-arrestin 1 and β2AR crystal structures into the electron microscopy map densities with constraints provided by HDX-MS and crosslinking, allowing us to obtain valuable insights into the overall architecture of a receptor–arrestin complex. The dynamic and structural information presented here provides a framework for better understanding the basis of GPCR regulation by arrestins.

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.

β-arrestins are cytosolic proteins that form complexes with seven-transmembrane receptors after agonist stimulation and phosphorylation by the G protein-coupled receptor kinases. They play an essential role in receptor desensitization and endocytosis, and they also serve as receptor-regulated signaling scaffolds and adaptors. Moreover, in the past decade, a growing list of protein–protein interactions of β-arrestins pertinent to these functions has been documented. The discovery of several novel functions of β-arrestins stimulated us to perform a global proteomics analysis of β-arrestin-interacting proteins (interactome) as modulated by a model seven-transmembrane receptor, the angiotensin II type 1a receptor, in an attempt to assess the full range of functions of these versatile molecules. As determined by LC tandem MS, 71 proteins interacted with β-arrestin 1, 164 interacted with β-arrestin 2, and 102 interacted with both β-arrestins. Some proteins bound only after agonist stimulation, whereas others dissociated. Bioinformatics analysis of the data indicates that proteins involved in cellular signaling, organization, and nucleic acid binding are the most highly represented in the β-arrestin interactome. Surprisingly, both S-arrestin (visual arrestin) and X-arrestin (cone arrestin) were also found in heteromeric complex with β-arrestins. The β-arrestin interactors distribute not only in the cytoplasm, but also in the nucleus as well as other subcellular compartments. The binding of 16 randomly selected newly identified β-arrestin partners was validated by coimmunoprecipitation assays in HEK293 cells. This study provides a comprehensive analysis of proteins that bind β-arrestin isoforms and underscores their potentially broad regulatory roles in mammalian cellular physiology.

β-Arrestins (βarrs) interact with G protein-coupled receptors (GPCRs) to desensitize G protein signaling, to initiate signaling on their own, and to mediate receptor endocytosis. Prior structural studies have revealed two unique conformations of GPCR-βarr complexes: the "tail" conformation, with βarr primarily coupled to the phosphorylated GPCR C-terminal tail, and the "core" conformation, where, in addition to the phosphorylated C-terminal tail, βarr is further engaged with the receptor transmembrane core. However, the relationship of these distinct conformations to the various functions of βarrs is unknown. Here, we created a mutant form of βarr lacking the "finger-loop" region, which is unable to form the core conformation but retains the ability to form the tail conformation. We find that the tail conformation preserves the ability to mediate receptor internalization and βarr signaling but not desensitization of G protein signaling. Thus, the two GPCR-βarr conformations can carry out distinct functions.

Abstract Chemokine receptors constitute an important subfamily of G protein-coupled receptors (GPCRs), and they are critically involved in a broad range of immune response mechanisms. Ligand promiscuity among these receptors makes them an interesting target to explore novel aspects of biased agonism. Here, we comprehensively characterize two chemokine receptors namely, CXCR4 and CXCR7, which share a common chemokine agonist (CXCL12), in terms of their G-protein coupling, β-arrestin (βarr) recruitment, contribution of GRKs, and ERK1/2 MAP kinase activation. We observe that CXCR7 lacks G-protein coupling while maintaining robust βarr recruitment with a major contribution of GRK5/6. On the other hand, CXCR4 displays robust G-protein activation as expected, however, it exhibits significantly reduced βarr-coupling compared to CXCR7 in response to their shared natural agonist, CXCL12. These two receptors induce distinct βarr conformations even when activated by the same agonist, and CXCR7, unlike CXCR4, fails to activate ERK1/2 MAP kinase. We further determine the crystal structure of βarr2 in complex with a carboxyl-terminal phosphopeptide derived from CXCR7, which reveals a smaller interdomain rotation than observed previously for activated βarrs. Importantly, structure-guided cellular experiments reveal a key contribution of a single phosphorylation site in CXCR7 on βarr recruitment and endosomal trafficking. Taken together, our study provides molecular insights into intrinsic bias encoded in the CXCR4-CXCR7 system, and it has broad implications for therapeutically important framework of biased agonism.

Abstract Selectivity of natural agonists for their cognate receptors is one of the hallmarks of the members of GPCR family, and it is crucial for the specificity of downstream signal-transduction. However, this selectivity often breaks down in the chemokine receptor subfamily, wherein a high degree of promiscuity is observed with one receptor recognizing multiple chemokines and one chemokine binding to multiple receptors. The molecular determinants of such a striking promiscuity for natural ligands in the chemokine-chemokine receptor system remain mostly elusive and represent an important knowledge gap in our current understanding. Here, we carry out a comprehensive transducer-coupling analysis, testing all known C-X-C chemokines on every C-X-C type chemokine receptor, to generate a global fingerprint of the selectivity and promiscuity encoded within this system. Taking lead from our finding, we determined cryo-EM structures of the most promiscuous receptor, CXCR2, in complex with every interacting chemokine, and deciphered the conserved molecular signatures and distinct binding modalities. While most chemokines position themselves on the receptor as a dimer, CXCL6 exhibits a monomeric binding pose induced by a previously unanticipated reorientation of its carboxyl-terminal α-helix, leading to disruption of the dimer interface. Surprisingly, one of the chemokines, CXCL5, induces a ligand-swapped dimer of CXCR2, the first of its kind observed in class A GPCRs, wherein each protomer of the ligand engages its own receptor without any discernible receptor-receptor interface. These unique observations provide a possible structural mechanism for inherent functional specialization encoded in chemokines despite their convergence to a common receptor. Furthermore, we also determined cryo-EM structures of CXCR3 in complex with G-protein-biased and β-arrestin-biased small molecule agonists that elucidate distinct allosteric modulations in the receptor driving their divergent transducer-coupling bias. Guided by structural analysis and experimental validation, we discover that in contrast to previously held notion, small molecule agonists of CXCR3 display robust agonism at CXCR7, an intrinsically biased, β-arrestin-coupled receptor, making them first-in-class dual agonists for chemokine receptors with exclusive βarr-bias at CXCR7. Taken together, our study provides molecular insights into ligand promiscuity and signaling bias at the chemokine receptors, and also demonstrates a proof of principle that naturally encoded structural mimicry can be recapitulated using synthetic pharmacophores with potential implications for developing novel therapeutics.

Abstract β-arrestins are multifunctional proteins that are critically involved in regulating spatio-temporal aspects of GPCR signaling. The interaction of β-arrestins with GPCRs is typically conceptualized in terms of receptor activation and phosphorylation primarily in the carboxyl-terminus. Interestingly however, there are several GPCRs that harbor majority of phosphorylation sites in their 3 rd intracellular loop (ICL3) instead of carboxyl-terminus but still robustly engage β-arrestins. Moreover, there are several 7TMRs that are now characterized as intrinsically-biased, β-arrestin-coupled receptors (ACRs) due to lack of functional G-protein-coupling but robust β-arrestin binding leading to functional outcomes. The molecular basis of β-arrestin interaction and activation upon binding to these types of 7TMRs is currently elusive, and it represents a major knowledge gap in our current understanding of this signaling system. Here, we present seven cryo-EM structures of β-arrestins in basal state, activated by the muscarinic M2 receptor (M2R) through its ICL3, and a β-arrestin-coupled receptor known as decoy D6 receptor (D6R). These structural snapshots combined with biochemical, cellular, and biophysical experiments including HDX-MS and MD simulation provide novel insights into the ability of β-arrestins to preferentially select specific phosphorylation patterns in the receptors, and also illuminate the structural diversity in 7TMR-β-arrestin interaction. Surprisingly, we also observe that the carboxyl-terminus of β-arrestin2 but not β-arrestin1 undergoes structural transition from a β-strand to α-helix upon activation by D6R, which may preclude the core-interaction with the activated receptor. Taken together, our study elucidates previously unappreciated aspects of 7TMR-β-arrestin interaction, and provides important mechanistic clues about how the two isoforms of β-arrestins can recognize and regulate a large repertoire of GPCRs.

Abstract Activation of the complement cascade is a critical part of our innate immune response against invading pathogens, and it operates in a concerted fashion with the antibodies and phagocytic cells towards the clearance of pathogens. The complement peptide C5a, generated during the activation of complement cascade, is a potent inflammatory molecule, and increased levels of C5a are implicated in multiple inflammatory disorders including the advanced stages of COVID-19 pathophysiology. The proximal step in C5a-mediated cellular and physiological responses is its interaction with two different seven transmembrane receptors (7TMRs) known as C5aR1 and C5aR2. Despite a large body of functional data on C5a-C5aR1 interaction, direct visualization of their interaction at high-resolution is still lacking, and it represents a significant knowledge gap in our current understanding of complement receptor activation and signaling. Here, we present cryo-EM structures of C5aR1 activated by its natural agonist C5a, and a G-protein-biased synthetic peptide ligand C5a pep , in complex with heterotrimeric G-proteins. The C5a-C5aR1 structure reveals the ligand binding interface involving the N-terminus and extracellular loops of the receptor, and we observe that C5a exhibits a significant conformational change upon its interaction with the receptor compared to the basal conformation. On the other hand, the structural details of C5a pep -C5aR1 complex provide a molecular basis to rationalize the ability of peptides, designed based on the carboxyl-terminus sequence of C5a, to act as potent agonists of the receptor, and also the mechanism underlying their biased agonism. In addition, these structural snapshots also reveal activation-associated conformational changes in C5aR1 including outward movement of TM6 and a dramatic rotation of helix 8, and the interaction interface for G-protein-coupling. In summary, this study provides previously lacking molecular basis for the complement C5a recognition and activation of C5aR1, and it should facilitate structure-based discovery of novel lead molecules to target C5aR1 in inflammatory disorders.