In the G-protein-coupled receptor (GPCR) rhodopsin, the inactivating ligand 11-cis-retinal is bound in the seven-transmembrane helix (TM) bundle and is cis/trans isomerized by light to form active metarhodopsin II. With metarhodopsin II decay, all-trans-retinal is released, and opsin is reloaded with new 11-cis-retinal. Here we present the crystal structure of ligand-free native opsin from bovine retinal rod cells at 2.9 ångström (Å) resolution. Compared to rhodopsin, opsin shows prominent structural changes in the conserved E(D)RY and NPxxY(x)5,6F regions and in TM5–TM7. At the cytoplasmic side, TM6 is tilted outwards by 6–7 Å, whereas the helix structure of TM5 is more elongated and close to TM6. These structural changes, some of which were attributed to an active GPCR state, reorganize the empty retinal-binding pocket to disclose two openings that may serve the entry and exit of retinal. The opsin structure sheds new light on ligand binding to GPCRs and on GPCR activation. The G-protein-coupled receptors (GPCRs), or seven-transmembrane receptors, constitute one of the largest superfamilies in the human genome, and are a common target for therapeutics. The light-activated molecule rhodopsin is made up of a GPCR called opsin, with a central pocket containing a covalently bound photoreactive cofactor, retinal. Ligand-free GPCRs are notoriously difficult to purify, but Park et al. have succeeded in crystallizing native opsin from bovine retinal rod cells and determined its structure to 2.9Å resolution. The structure reveals an entrance pathway for 11-cis-retinal and an exit for all-trans-retinal, an example of the biologically important process of GPCR activation in action. The crystal structure of a ligand-free opsin at 2.9 Å resolution is reported; the entrance pathway for 11-cis-retinal and the exit pathway for all-trans-retinal are apparent.

SUMMARY The melanocortin-4 receptor (MC4R), a hypothalamic master regulator of energy homeostasis and appetite, is a G-protein coupled receptor and a prime target for the treatment of obesity. Here, we present cryo-electron microscopy structures of MC4R− Gs-protein complexes with two recently FDA-approved drugs, the peptide agonists NDP-α-MSH and setmelanotide, with 2.9 Å and 2.6 Å resolution. Together with signaling data, the complex structures reveal the agonist-induced origin of transmembrane helix (TM) 6 regulated receptor activation. In both structures, different ligand binding modes of NDP-α-MSH, a high-affinity variant of the endogenous agonist, and setmelanotide, an anti-obesity drug with biased signaling, underline the key role of TM3 for ligand-specific interactions and of calcium ion as a ligand-adaptable cofactor. The agonist-TM3 interplay subsequently impacts the receptor− Gs-protein interfaces, mainly at intracellular loop 2. These structures reveal mechanistic details of MC4R activation or inhibition and provide important insights into receptor selectivity that will facilitate the development of tailored anti-obesity drugs.

Abstract Receptor-activity-modifying proteins (RAMPs) are ubiquitously expressed membrane proteins that associate with different G protein-coupled receptors (GPCRs) including the parathyroid hormone 1 receptor (PTH1R), a class B GPCR and an important modulator of mineral ion homeostasis and bone metabolism. However, it is unknown whether and how RAMP proteins may affect PTH1R function. Using different optical biosensors to measure the activation of PTH1R and its downstream signalling, we describe here that RAMP2 acts as a specific allosteric modulator of PTH1R, shifting PTH1R to a unique pre-activated state that permits faster activation in a ligand-specific manner. Moreover, RAMP2 modulates PTH1R downstream signalling in an agonist-dependent manner, most notably increasing the PTH-mediated Gi3 signalling sensitivity. Additionally, RAMP2 increases both PTH- and PTHrP-triggered β-arrestin2 recruitment to PTH1R. Employing homology modelling we describe the putative structural molecular basis underlying our functional findings. These data uncover a critical role of RAMPs in the activation and signalling of a GPCR that may provide a new venue for highly specific modulation of GPCR function and advanced drug design.

Abstract The soil bacterium Agrobacterium fabrum C58 infects plants by a unique DNA transfer mechanism. A. fabrum has two phytochrome photoreceptors, Agp1 and Agp2. We found that DNA transfer into plants by A. fabrum is down regulated by light and that phytochrome knockout mutants have diminished DNA transfer rates. The regulation pattern matches with that of bacterial conjugation reported earlier. Growth, swimming and interbacterial competition were also affected in phytochrome knockout mutants, although these effects were often not affected by light. We can thus distinguish between light-regulated and light-independent phytochrome responses. In microarray studies, transcription of only 4 genes was affected by light, indicating that most light responses are regulated post-transcriptionally. In a mass spectrometery-based proteomic study, 24 proteins were different between light and dark grown bacteria, whereas 382 proteins differed between wild type and phytochrome knockout mutants, pointing again to light-dependent and light-independent roles of Agp1 and Agp2.

G-protein-coupled receptors (GPCRs) activate heterotrimeric G proteins by promoting guanine nucleotide exchange. Here, we investigate the coupling of G proteins with GPCRs and describe the events that ultimately lead to the ejection of GDP from its binding pocket in the Gα subunit, the rate-limiting step during G-protein activation. Using molecular dynamics simulations, we investigate the temporal progression of structural rearrangements of GDP-bound G

Although human endogenous retroviruses (HERVs) represent a substantial proportion of the human genome and some HERVs have been suggested to be involved in neurological disorders, little is known about their biological function and pathophysiological relevance. HERV-K(HML-2) comprises evolutionarily young proviruses transcribed in the brain. We report that RNA derived from an HERV-K(HML-2) env gene region binds to the human RNA-sensing Toll-like receptor (TLR) 8, activates human TLR8, as well as murine Tlr7, and causes neurodegeneration through TLR8 and Tlr7 in neurons and microglia. HERV-K(HML-2) RNA introduced extracellularly into the cerebrospinal fluid (CSF) of either C57BL/6 wild-type mice or APPPS1 mice, a mouse model for Alzheimer′s disease (AD), resulted in neurodegeneration. Tlr7-deficient mice were protected against neurodegenerative effects, but were re-sensitized towards HERV-K(HML-2) RNA when neurons ectopically expressed murine Tlr7 or human TLR8. Accordingly, transcriptome datasets of human brain samples from AD patients revealed a specific correlation of upregulated HERV-K(HML-2) and TLR8 RNA expression. HERVK(HML-2) RNA was detectable more frequently in CSF from AD individuals compared to controls. Our data establish HERV-K(HML-2) RNA as an endogenous ligand for human TLR8 and murine Tlr7 and imply a functional contribution of specific human endogenous retroviral transcripts to neurodegenerative processes such as AD.

Abstract Reversible palmitoylation of proteins at cysteine residues represents a post-translational modification that can alter the cellular localization of proteins, change their distribution within lipid membranes or modulate their conformation and molecular interaction patterns. DHHC enzymes catalyze protein palmitoylation, while thioesterases or hydrolases can rapidly remove the acyl-chain. In human T cells, DHHC proteins have been shown to modify proteins that are involved in major signaling pathways such as Ca 2+ -signaling or kinase-dependent activation of transcription factors for cytokines. For DHHC20, a role in the palmitoylation of the Orai1 Ca 2+ -channel has been demonstrated, but otherwise its T cell interaction partners are largely unknown. Here, we show that recombinantly expressed DHHC20 robustly interacts with 28 proteins from Jurkat T cells, as shown by affinity enrichment combined with mass spectrometric analysis. We find a robust interaction between DHHC20 and the β-subunit of the trimeric G protein Gαsβ1γ2, while the typically palmitoylated Ga subunit is not identified. Cross-linking mass spectrometry with purified DHHC20 and Gαsβ1γ2 then confirms a direct interaction between the β1γ2 domains and the enzyme, while rigid docking offers structural poses that are in agreement with the observed intermolecular cross-linking constraints. Thus, we suggest a model where the β1γ2 subunits of a trimeric G protein serve as a stable interaction partner of a DHHC enzyme, presumably acting as a landing platform for the Gα subunit that is subsequently palmitoylated by the enzyme.