Lasso peptides exhibit a unique lariat-like knotted structure imparting exceptional stability and thus show promise as therapeutic agents that target cell-surface receptors. One such receptor is the human endothelin ETB receptor, which is implicated in challenging cancers with poor immunotherapy responsiveness. The Streptomyces-derived lasso peptide, RES-701-3, is a selective inhibitor for ETB and a compelling candidate for therapeutic development. However, meager production from a genetically recalcitrant host has limited further structure-activity relationship studies of this potent inhibitor. Here, we report cryo-electron microscopy structures of ETB receptor in both its apo form and complex with RES-701-3, facilitated by a calcineurin-fusion strategy. Hydrophobic interactions between RES-701-3 and the transmembrane region of the receptor, especially involving two tryptophan residues, play a crucial role in RES-701-3 binding. Furthermore, RES-701-3 prevents conformational changes associated with G-protein coupling, explaining its inverse agonist activity. A comparative analysis with other lasso peptides and their target proteins highlights the potential of lasso peptides as precise drug candidates for G-protein-coupled receptors. This structural insight into RES-701-3 binding to ETB receptor offers valuable information for the development of novel therapeutics targeting this receptor and provides a broader understanding of lasso peptide interactions with human cell-surface receptors.

Abstract GPR34 is a recently identified G-protein coupled receptor, which has an immunomodulatory role and recognizes lysophosphatidylserine (LysoPS) as a putative ligand. Here, we report cryo-electron microscopy structures of human GPR34-G i complex bound with either the LysoPS analogue S3E-LysoPS, which contains an ethoxy group at the sn -1 position, or M1, a derivative of S3E-LysoPS in which oleic acid is substituted with a metabolically stable aromatic fatty acid surrogate. In both structures, the ligand-binding pocket is laterally open toward the membrane, allowing lateral entry of lipidic agonists into the cavity. The amine and carboxylate groups of the serine moiety are recognized by the charged residue cluster, and the aromatic fatty acid surrogate of M1 forms stable hydrophobic interactions with the cavity, thus acting as a superagonist. Molecular dynamics simulations further account for the LysoPS-regioselectivity of GPR34. Thus, using a series of structural and physiological experiments, we provide evidence that chemically unstable 2-acyl LysoPS is the physiological ligand for GPR34, suggesting its short signal duration. Overall, we anticipate the present structures will pave the way for development of novel anticancer drugs that specifically target GPR34.

Abstract Channelrhodopsins (ChRs) are light-gated ion channels and invaluable tools for optogenetic applications. Recent developments in multicolor optogenetics, in which different neurons are controlled by multiple colors of light simultaneously, have increased the demand for ChR mutants with more distant absorption wavelengths. Here we report the 2.9 Å-resolution cryo-electron microscopy structure of a ChR from Klebsormidium nitens (KnChR), which is one of the most blue-shifted ChRs. The structure elucidates the 6- s-cis configuration of the retinal chromophore, indicating its contribution to a distinctive blue shift in action spectra. The unique architecture of the C-terminal region reveals its role in the allosteric modulation of channel kinetics, enhancing our understanding of its functional dynamics. Based on the structure-guided design, we developed mutants with blue-shifted action spectra. Finally, we confirm that UV or deep-blue light can activate KnChR-transfected precultured neurons, expanding its utility in optogenetic applications. Our findings contribute valuable insights to advance optogenetic tools and enable refined capabilities in neuroscience experiments.

Abstract Microbial rhodopsins comprise an opsin protein with seven transmembrane helices and a retinal as the chromophore. An all-trans retinal is covalently-bonded to a lysine residue through the retinal Schiff base (RSB) and stabilized by a negatively-charged counterion. The distance between the RSB and counterion is closely related to the light energy absorption. However, in heliorhodopsin-48C12 (HeR-48C12), while Glu107 acts as the counterion, E107D mutation exhibits an identical absorption spectrum to the wild-type, suggesting that the distance does not affect its absorption spectra. Here we present the 2.6 Å resolution crystal structure of the Thermoplasmatales archaeon HeR E108D mutant, which also has an identical absorption spectrum to the wild-type. The structure revealed that D108 does not form a hydrogen bond with the RSB, and its counterion interaction becomes weaker. Alternatively, serine cluster, S78, S112, and S238 form a distinct interaction network around the RSB. The absorption spectra of the E to D and S to A double mutants suggested that S112 influences the spectral shift by compensating for the weaker counterion interaction. Our structural and spectral studies have revealed the unique spectral shift mechanism of HeR and clarified the physicochemical properties of HeRs.

Channelrhodopsins are microbial light-gated ion channels that can control the firing of neurons in response to light. Among several cation channelrhodopsins identified in Guillardia theta (GtCCRs), GtCCR4 has higher light sensitivity than typical channelrhodopsins. Furthermore, GtCCR4 shows superior properties as an optogenetic tool, such as minimal desensitization. Our structural analyses of GtCCR2 and GtCCR4 revealed that GtCCR4 has an outwardly bent transmembrane helix, resembling the conformation of activated G-protein-coupled receptors. Spectroscopic and electrophysiological comparisons suggested that this helix bend in GtCCR4 omits channel recovery time and contributes to high light sensitivity. An electrophysiological comparison of GtCCR4 and the well-characterized optogenetic tool ChRmine demonstrated that GtCCR4 has superior current continuity and action-potential spike generation with less invasiveness in neurons. We also identified highly active mutants of GtCCR4. These results shed light on the diverse structures and dynamics of microbial rhodopsins and demonstrate the strong optogenetic potential of GtCCR4.

Persistent hiccups are rare but can serve as an early symptom of underlying conditions, including pulmonary infections and cerebrovascular disorders. This case highlights hiccups as a presenting symptom of bronchopneumonia in a hemodialysis patient and explores the effective use of chlorpromazine and Hange-koboku-to (HKT) as symptomatic therapies. Given the potential association of hiccups with neurological conditions, this case underscores the need for comprehensive diagnostic evaluation. A 62-year-old man undergoing maintenance hemodialysis for end-stage renal disease presented with persistent hiccups lasting one week, accompanied by reduced oral intake. Imaging revealed ground-glass opacities in the right lower lobe and minimal bilateral pleural effusion. Sputum culture confirmed Klebsiella species, consistent with bronchopneumonia. Treatment included ampicillin/sulbactam (ABPC/SBT), azithromycin (AZM), chlorpromazine (37.5 mg/day, three times daily (t.i.d.)), and HKT (7.5 g/day, t.i.d.). Hiccups resolved within two days of initiating therapy, and both symptomatic treatments were discontinued by the fifth hospital day. At a two-week follow-up, the patient remained symptom-free with improved quality of life (QOL). This case demonstrates persistent hiccups as a potential early symptom of bronchopneumonia, likely caused by diaphragmatic irritation. Non-pharmacological interventions failed to provide relief, but a combination of chlorpromazine and HKT effectively alleviated symptoms. HKT, a traditional Kampo medicine, may modulate neurotransmitter pathways and serve as an adjunctive treatment for refractory hiccups. Furthermore, persistent hiccups in hemodialysis patients warrant careful evaluation to exclude central nervous system (CNS) disorders, including brainstem infarctions. These findings underscore the importance of recognizing atypical presentations of pneumonia and tailoring a multimodal therapeutic approach. Persistent hiccups require careful evaluation to rule out cerebrovascular events, but in this case, they were caused by bronchopneumonia. This report highlights hiccups as an early symptom of bronchopneumonia and demonstrates the efficacy of chlorpromazine and HKT as symptomatic treatments. Recognizing atypical presentations of respiratory infections and adopting targeted therapies are essential for effective management.