Restoration of wild-type p53 expression triggers cell death and eliminates tumors in vivo. The identification of mutant p53-reactivating small molecules such as PRIMA-1 opens possibilities for the development of more efficient anticancer drugs. Although the biological effects of PRIMA-1 are well demonstrated, little is known about its molecular mechanism of action. We show here that PRIMA-1 is converted to compounds that form adducts with thiols in mutant p53. Covalent modification of mutant p53 per se is sufficient to induce apoptosis in tumor cells. These findings might facilitate the design of more potent and specific mutant p53-targeting anticancer drugs.

The tumor suppressor p53 is mutationally inactivated in ≈50% of human cancers. Approximately one-third of the mutations lower the melting temperature of the protein, leading to its rapid denaturation. Small molecules that bind to those mutants and stabilize them could be effective anticancer drugs. The mutation Y220C, which occurs in ≈75,000 new cancer cases per annum, creates a surface cavity that destabilizes the protein by 4 kcal/mol, at a site that is not functional. We have designed a series of binding molecules from an in silico analysis of the crystal structure using virtual screening and rational drug design. One of them, a carbazole derivative (PhiKan083), binds to the cavity with a dissociation constant of ≈150 μM. It raises the melting temperature of the mutant and slows down its rate of denaturation. We have solved the crystal structure of the protein–PhiKan083 complex at 1.5-Å resolution. The structure implicates key interactions between the protein and ligand and conformational changes that occur on binding, which will provide a basis for lead optimization. The Y220C mutant is an excellent “druggable” target for developing and testing novel anticancer drugs based on protein stabilization. We point out some general principles in relationships between binding constants, raising of melting temperatures, and increase of protein half-lives by stabilizing ligands.

G protein-coupled receptors (GPCRs) allosterically activate heterotrimeric G proteins and trigger GDP release. Given that there are ∼800 human GPCRs and 16 different Gα genes, this raises the question of whether a universal allosteric mechanism governs Gα activation. Here we show that different GPCRs interact with and activate Gα proteins through a highly conserved mechanism. Comparison of Gα with the small G protein Ras reveals how the evolution of short segments that undergo disorder-to-order transitions can decouple regions important for allosteric activation from receptor binding specificity. This might explain how the GPCR–Gα system diversified rapidly, while conserving the allosteric activation mechanism. There are ∼800 human GPCRs and 16 different Gα proteins; this study revealed the molecular details of Gα activation by GPCRs and suggests that a universal activation mechanism governs Gα activation—the details of this mechanism can explain how the GPCR–Gα system diversified rapidly, while conserving the allosteric activation mechanism. G-protein-coupled receptors (GPCRs) are membrane proteins that function as sensors for a wide range of extracellular signals. They act via heterotrimeric G proteins — guanine nucleotide-binding proteins that act as intracellular molecular switches — which they activate allosterically to trigger GDP release. There are hundreds of human GPCRs acting upon 16 different Gα proteins. In this Analysis, Madan Babu and colleagues set out to establish whether there is a universal allosteric mechanism governing Gα activation. They find that there is: different GPCRs interact with and activate Gα proteins through a highly conserved mechanism, which might explain how the GPCR–Gα system diversified rapidly while conserving its allosteric properties.

Self-assembly of a centriolar protein may contribute to organizing the cartwheel-like hub and establishing centriole symmetry.

Protein folding in the cell relies on the orchestrated action of conserved families of molecular chaperones, the Hsp70 and Hsp90 systems. Hsp70 acts early and Hsp90 late in the folding path, yet the molecular basis of this timing is enigmatic, mainly because the substrate specificity of Hsp90 is poorly understood. Here, we obtained a structural model of Hsp90 in complex with its natural disease-associated substrate, the intrinsically disordered Tau protein. Hsp90 binds to a broad region in Tau that includes the aggregation-prone repeats. Complementarily, a 106-Å-long substrate-binding interface in Hsp90 enables many low-affinity contacts. This allows recognition of scattered hydrophobic residues in late folding intermediates that remain after early burial of the Hsp70 sites. Our model resolves the paradox of how Hsp90 specifically selects for late folding intermediates but also for some intrinsically disordered proteins—through the eyes of Hsp90 they look the same.

A highly conserved rearrangement of residue contacts functions as a common step in the activation pathways of diverse G-protein-coupled receptors. A comprehensive structural analysis of 27 class A G-protein-coupled receptors (GPCRs) reveals that, despite the extensive diversity in the activation pathways between receptors, the pathways converge near the G-protein-coupling region. The convergence is mediated by a highly conserved structural rearrangement of residue contacts between transmembrane helices. These findings may explain how the activation steps initiated by diverse ligands enable GPCRs to bind a common repertoire of G proteins, and will have implications for the modelling and engineering of GPCRs for structure-based drug discovery. Class A G-protein-coupled receptors (GPCRs) are a large family of membrane proteins that mediate a wide variety of physiological functions, including vision, neurotransmission and immune responses1,2,3,4. They are the targets of nearly one-third of all prescribed medicinal drugs5 such as beta blockers and antipsychotics. GPCR activation is facilitated by extracellular ligands and leads to the recruitment of intracellular G proteins3,6. Structural rearrangements of residue contacts in the transmembrane domain serve as ‘activation pathways’ that connect the ligand-binding pocket to the G-protein-coupling region within the receptor. In order to investigate the similarities in activation pathways across class A GPCRs, we analysed 27 GPCRs from diverse subgroups for which structures of active, inactive or both states were available. Here we show that, despite the diversity in activation pathways between receptors, the pathways converge near the G-protein-coupling region. This convergence is mediated by a highly conserved structural rearrangement of residue contacts between transmembrane helices 3, 6 and 7 that releases G-protein-contacting residues. The convergence of activation pathways may explain how the activation steps initiated by diverse ligands enable GPCRs to bind a common repertoire of G proteins.

Abstract Cannabinoid CB1 and CB2 receptors are members of the G protein-coupled receptor family, which is the largest class of membrane proteins in the human genome. As part of the endocannabinoid system, they have many regulatory functions in the human body. Their malfunction therefore triggers a diverse set of undesired conditions, such as pain, neuropathy, nephropathy, pruritus, osteoporosis, cachexia and Alzheimer’s disease. Although drugs targeting the system exist, the molecular and functional mechanisms involved are still poorly understood, preventing the development of better therapeutics with fewer undesired effects. One path toward the development of better and safer medicines targeting cannabinoid receptors relies on the ability of some compounds to activate a subset of pathways engaged by the receptor while sparing or even inhibiting the others, a phenomenon known as biased signaling. To take advantage of this phenomenon for drug development, a better profiling of the pathways engaged by the receptors is required. Using a BRET-based signaling detection platform, we systematically analyzed the primary signaling cascades activated by CB1 and CB2 receptors, including 9 G protein and 2 β-arrestin subtypes. Given that biased signaling is driven by ligand-specific distinct active conformations of the receptor, establishing a link between the signaling profiles elicited by different drugs and their chemotypes may help designing compounds that selectively activate beneficial pathways while avoiding those leading to undesired effects. We screened a selection of 35 structurally diverse ligands, including endocannabinoids, phytocannabinoids and synthetic compounds structurally similar or significantly different from natural cannabinoids. Our data show that biased signaling is a prominent feature of the cannabinoid receptor system and that, as predicted, ligands with different chemotypes have distinct signaling profiles. The study therefore allows for better understanding of cannabinoid receptors signaling and provides the information about tool compounds that can now be used to link signaling pathways to biological outcomes, aiding the design of improved therapeutics.

Abstract The β2-adrenoceptor (β2AR) is a well-established target in asthma and a prototypical GPCR for biophysical studies. Solubilisation of membrane proteins has classically involved the use of detergents. However, the detergent environment differs from the native membrane environment and often destabilises membrane proteins. Use of amphiphilic copolymers is a promising strategy to solubilise membrane proteins within their native lipid environment in the complete absence of detergents. Here we show the isolation of the β 2 AR in the polymer Diisobutylene maleic acid (DIBMA). We demonstrate that β 2 AR remains functional in the DIBMA lipid particle (DIBMALP) and shows improved thermal stability compared to the n-Dodecyl-β-D-Maltopyranoside (DDM) detergent solubilised β 2 AR. This unique method of extracting β 2 AR offers significant advantages over previous methods routinely employed such as the introduction of thermostabilising mutations and the use of detergents, particularly for functional biophysical studies.

Abstract Measurements of membrane protein thermostability allows indirect detection of ligand binding. Current thermostability assays require protein purification or rely on pre-existing radiolabelled or fluorescent ligands, limiting their application to established target proteins. Alternative methods detect protein aggregation which requires sufficiently high level of protein expression. Here, we present a ThermoBRET method to quantify the relative thermostability of G protein coupled receptors (GPCRs), using cannabinoid receptors (CB 1 and CB 2 ) and the β 2 -adrenoceptor (β 2 AR) as model systems. ThermoBRET reports receptor unfolding, does not need labelled ligands and can be used with non-purified proteins. It uses Bioluminescence Resonance Energy Transfer (BRET) between Nanoluciferase (Nluc) and a thiol-reactive fluorescent dye that binds cysteines exposed by unfolding. We demonstrate that the melting point (T m ) of Nluc-fused GPCRs can be determined in non-purified detergent solubilised membrane preparations or solubilised whole cells, revealing differences in thermostability for different solubilising conditions and in the presence of stabilising ligands. We extended the range of the assay by developing the thermostable tsNLuc by incorporating mutations from the fragments of split-Nluc ( T m of 87 ⁰C vs 59 ⁰C). ThermoBRET allows determination of GPCR thermostability, which is useful for protein purification optimisation and as part of drug discovery screening strategies.

Abstract Sensitive protein stability assays for membrane proteins are crucial for developing purification protocols, for structural and biophysical characterisation and drug discovery. Here, we describe a novel high-throughput 384-well FRET-based thermostability methodology, ThermoFRET, allowing for the ultrasensitive determination of G protein coupled receptor (GPCR) stability. This method measures FRET between a terbium-cryptate labelled GPCR and BODIPY-FL-Cystine, a thiolreactive dye that reacts with cysteine residues exposed upon protein unfolding in response to thermal denaturation. ThermoFRET is functional in crude solubilised membrane preparations, without protein purification and can detect receptor stabilising ligands, making it ideally suited for orphan receptor screening.