Abstract Background and Purpose Allosterism is a regulatory mechanism for GPCRs that can be attained by ligand‐binding or protein–protein interactions with another GPCR. We have studied the influence of the dimer interface on the allosteric properties of the A 2A receptor and CB 2 receptor heteromer. Experimental Approach We have evaluated cAMP production, phosphorylation of signal‐regulated kinases (pERK1/2), label‐free dynamic mass redistribution, β‐arrestin 2 recruitment and bimolecular fluorescence complementation assays in the absence and presence of synthetic peptides that disrupt the formation of the heteromer. Molecular dynamic simulations provided converging evidence that the heteromeric interface influences the allosteric properties of the A 2A R–CB 2 R heteromer. Key Results Apo A 2A R blocks agonist‐induced signalling of CB 2 R. The disruptive peptides, with the amino acid sequence of transmembrane (TM) 6 of A 2A R or CB 2 R, facilitate CB 2 R activation, suggesting that A 2A R allosterically prevents the outward movement of TM 6 of CB 2 R for G protein binding. Significantly, binding of the selective antagonist SCH 58261 to A 2A R also facilitated agonist‐induced activation of CB 2 R. Conclusions and Implications It is proposed that the A 2A R–CB 2 R heteromer contains distinct dimerization interfaces that govern its functional properties. The molecular interface between protomers of the A 2A R–CB 2 R heteromer interconverted from TM 6 for apo or agonist‐bound A 2A R, blocking CB 2 R activation, to mainly the TM 1/7 interface for antagonist‐bound A 2A R, facilitating the independent opening of intracellular cavities for G protein binding. These novel results shed light on a different type of allosteric mechanism and extend the repertoire of GPCR heteromer signalling.

G protein-coupled receptors (GPCRs) exist within a landscape of interconvertible conformational states and in dynamic equilibrium between monomers and higher-order oligomers, both influenced by ligand binding. Here, we have shown that a homobivalent ligand formed by equal chromenopyrazole moieties as pharmacophores, connected by 14 methylene units, can modulate the dynamics of the cannabinoid CB

A central challenge in olfaction is understanding how the olfactory system detects and distinguishes odorants with diverse physicochemical properties and molecular configurations. Vertebrate animals perceive odors via G protein-coupled odorant receptors (ORs). In humans, ~400 ORs enable the sense of smell. The OR family is composed of two major classes: Class I ORs are tuned to carboxylic acids while Class II ORs, representing the vast majority of the human repertoire, respond to a wide variety of odorants. How ORs recognize chemically diverse odorants remains poorly understood. A fundamental bottleneck is the inability to visualize odorant binding to ORs. Here, we uncover fundamental molecular properties of odorant-OR interactions by employing engineered ORs crafted using a consensus protein design strategy. Because such consensus ORs (consORs) are derived from the 17 major subfamilies of human ORs, they provide a template for modeling individual native ORs with high sequence and structural homology. The biochemical tractability of consORs enabled four cryoEM structures of distinct consORs with unique ligand recognition properties. The structure of a Class I consOR, consOR51, showed high structural similarity to the native human receptor OR51E2 and yielded a homology model of a related member of the human OR51 family with high predictive power. Structures of three Class II consORs revealed distinct modes of odorant-binding and activation mechanisms between Class I and Class II ORs. Thus, the structures of consORs lay the groundwork for understanding molecular recognition of odorants by the OR superfamily.

ABSTRACT G protein-coupled receptors (GPCRs) exist within a landscape of interconvertible conformational states and in dynamic equilibrium between monomers and higher-order oligomers, both influenced by ligand binding. Here, we have shown that a homobivalent ligand formed by equal chromenopyrazole moieties as pharmacophores, connected by 14 methylene units, can modulate the dynamics of the cannabinoid CB 2 receptor (CB 2 R) homodimerization by simultaneously binding both protomers of the CB 2 R-CB 2 R homodimer. Computational and pharmacological experimentals showed that one of the ligand pharmacophores binds to the orthosteric site of one protomer, and the other pharmacophore to a membrane-oriented pocket between transmembranes 1 and 7 of the partner protomer. This provides unique pharmacological properties, such as increased potency in G i binding and increased recruitment of β-arrestin. Thus, by modulating dimerization dynamics, it may be possible to fine-tune CB 2 R activity with potentially improved therapeutic outcomes. HIGHLIGHTS A homobivalent ligand of CB 2 R (PM369) modulates the dynamics of receptor homodimerization PM369 binds to the orthosteric site of one protomer and to a complementary, membrane-facing, site of the other protomer PM369 triggers CB 2 R homodimerization via the TM 1/7 interface that provides unique pharmacological properties PM369 potentiates signaling, increased potency in G i binding and increased recruitment of β-arrestin These results highlight new approaches to control GPCR signaling GRAPHICAL ABSTRACT