The emergence of synthetic cannabinoid receptor agonists (SCRAs) as illicit psychoactive substances has posed considerable public health risks that include fatalities. Many SCRAs exhibit much higher efficacy and potency, compared with the phytocannabinoid Δ9-tetrahydrocannabinol (THC), at the cannabinoid receptor 1 (CB1R), a G protein-coupled receptor involved in modulating neurotransmitter release. In this study, we investigated structure activity relationships (SAR) of aminoalkylindole SCRAs at CB1Rs, focusing on 5F-pentylindoles containing an amide linker attached to different head moieties. Using in vitro bioluminescence resonance energy transfer (BRET) assays, we identified a few of SCRAs exhibiting significantly higher efficacy in engaging the Gi protein and recruiting β-arrestin than the reference CB1R full agonist CP55940. Importantly, adding a methyl group at the head moiety of 5F-MMB-PICA yielded 5F-MDMB-PICA, an agonist exhibiting a large increase in efficacy and potency at the CB1R. This pharmacological observation was supported by a functional assay of the effects of these SCRAs on glutamate field potentials recorded in hippocampal slices. Molecular modeling and simulations of the CB1R bound with either of the SCRAs revealed critical structural determinants contributing to the higher efficacy of 5F-MDMB-PICA, and how these subtle differences propagated to the receptor-G protein interface. Thus, we find that apparently minor structural changes in the head moiety of SCRAs can cause major changes in efficacy. Our results highlight the need for close monitoring of structural modifications of newly emerging SCRAs and their potential for toxic drug responses in humans.

ABSTRACT The dopamine D1 receptor (D1R) couples to Gα s and Gα olf and plays a crucial role in regulating voluntary movement and other cognitive functions, making it a potential therapeutic target for several neurological and neuropsychiatric disorders, such as Parkinson’s disease and schizophrenia. In the central nervous system, Gα s is widely expressed in the cortex and Gα olf is predominantly found in the striatum. We used two different configurations of bioluminescence resonance energy transfer (BRET) assays and a fluorescence-based cyclic AMP (cAMP) production functional assay to test a series of tetracyclic catechol (dihydrexidine, methyl-dihydrexidine, doxanthrine) and non-catechol (tavapadon, R03, R05) D1R agonists for their activity at these G proteins. We discovered that these tetracyclic catechol compounds and R03 exerted full agonism when D1R coupled to Gα s but partial agonism when D1R coupled to Gα olf . In contrast, tavapadon acted as a full agonist at Gα olf and a partial agonist at Gα s . The selectivity profiles of these compounds translated to their electrophysiological effects as expected. This suggested the possibility of achieving region-specific pharmacology and opened new directions for developing D1R drugs to treat relevant neurological and neuropsychiatric disorders.

The sigma 1 receptor (σ1R) has been implicated in cancers, neurological disorders, and substance use disorders. Yet, its molecular and cellular functions have not been well-understood. Recent crystal structures of σ1R reveal a single N-terminal transmembrane segment and C-terminal ligand-binding domain, and a trimeric organization. Nevertheless, outstanding issues surrounding the functional or pharmacological relevance of σ1R oligomerization remain, such as the minimal protomeric unit and the differentially altered oligomerization states by different classes of ligands. Western blot (WB) assays have been widely used to investigate protein oligomerizations. However, the unique topology of σ1R renders several intertwined challenges in WB. Here we describe a WB protocol without temperature denaturization to study the ligand binding effects on the oligomerization state of σ1R. Using this approach, we observed unexpected ladder-like incremental migration pattern of σ1R, demonstrating preserved homomeric interactions in the detergent environment. We compared the migration patterns of intact σ1R construct and the C-terminally tagged σ1R constructs, and found similar trends in response to drug treatments. In contrast, N-terminally tagged σ1R constructs show opposite trends to that of the intact construct, suggesting distorted elicitation of the ligand binding effects on oligomerization. Together, our findings indicate that the N-terminus plays an important role in eliciting the impacts of bound ligands, whereas the C-terminus is amenable for modifications for biochemical studies.

Bitopic ligands bind both orthosteric and allosteric or secondary binding sites within the same receptor, often resulting in improvement of receptor selectivity, potency, and efficacy. In particular, for both agonists and antagonists of the dopamine D2 and D3 receptors (D2R and D3R), the primary therapeutic targets for several neurological and neuropsychiatric disorders, bitopic ligand design has proved advantageous in achieving better pharmacological profiles in vitro. Although the two pharmacophores within a bitopic ligand are typically considered the main drivers of conformational change for a receptor, the role of the linker that connects the two has not yet been systematically studied for its relevance in receptor activity profiles. Here, we present a comprehensive analysis of sumanirole and PF592,379-based indole-containing bitopic compounds in agonist activity at D2R and D3R, with a focus on linker chemical space and stereochemistry achieved through testing seven distinct chirally resolved linkers. The current study examines the structure activity relationships (SAR) of these linkers extensively, beyond the conventional level, by characterizing activation of all putative transducers over a 44 min time course. Our multiparametric analysis provides previously unappreciated clarity of linker-dependent effects, highlighting the utility of this applied comprehensive approach and the significance of linker type in the shaping of transducer bias profiles.