Heterotrimeric guanine nucleotide-binding protein (G protein)-coupled receptors constitute the largest family of eukaryotic signal transduction proteins that communicate across the membrane. We report the crystal structure of a human beta2-adrenergic receptor-T4 lysozyme fusion protein bound to the partial inverse agonist carazolol at 2.4 angstrom resolution. The structure provides a high-resolution view of a human G protein-coupled receptor bound to a diffusible ligand. Ligand-binding site accessibility is enabled by the second extracellular loop, which is held out of the binding cavity by a pair of closely spaced disulfide bridges and a short helical segment within the loop. Cholesterol, a necessary component for crystallization, mediates an intriguing parallel association of receptor molecules in the crystal lattice. Although the location of carazolol in the beta2-adrenergic receptor is very similar to that of retinal in rhodopsin, structural differences in the ligand-binding site and other regions highlight the challenges in using rhodopsin as a template model for this large receptor family.

The β 2 -adrenergic receptor (β 2 AR) is a well-studied prototype for heterotrimeric guanine nucleotide–binding protein (G protein)–coupled receptors (GPCRs) that respond to diffusible hormones and neurotransmitters. To overcome the structural flexibility of the β 2 AR and to facilitate its crystallization, we engineered a β 2 AR fusion protein in which T4 lysozyme (T4L) replaces most of the third intracellular loop of the GPCR (“β 2 AR-T4L”) and showed that this protein retains near-native pharmacologic properties. Analysis of adrenergic receptor ligand-binding mutants within the context of the reported high-resolution structure of β 2 AR-T4L provides insights into inverse-agonist binding and the structural changes required to accommodate catecholamine agonists. Amino acids known to regulate receptor function are linked through packing interactions and a network of hydrogen bonds, suggesting a conformational pathway from the ligand-binding pocket to regions that interact with G proteins.

A long-held tenet of molecular pharmacology is that canonical signal transduction mediated by G-protein-coupled receptor (GPCR) coupling to heterotrimeric G proteins is confined to the plasma membrane. Evidence supporting this traditional view is based on analytical methods that provide limited or no subcellular resolution. It has been subsequently proposed that signalling by internalized GPCRs is restricted to G-protein-independent mechanisms such as scaffolding by arrestins, or GPCR activation elicits a discrete form of persistent G protein signalling, or that internalized GPCRs can indeed contribute to the acute G-protein-mediated response. Evidence supporting these various latter hypotheses is indirect or subject to alternative interpretation, and it remains unknown if endosome-localized GPCRs are even present in an active form. Here we describe the application of conformation-specific single-domain antibodies (nanobodies) to directly probe activation of the β2-adrenoceptor, a prototypical GPCR, and its cognate G protein, Gs (ref. 12), in living mammalian cells. We show that the adrenergic agonist isoprenaline promotes receptor and G protein activation in the plasma membrane as expected, but also in the early endosome membrane, and that internalized receptors contribute to the overall cellular cyclic AMP response within several minutes after agonist application. These findings provide direct support for the hypothesis that canonical GPCR signalling occurs from endosomes as well as the plasma membrane, and suggest a versatile strategy for probing dynamic conformational change in vivo.

Two papers by Brian Kobilka and colleagues describe the X-ray crystal structure of the human β2 adrenergic receptor (β2AR) bound to various agonists. β2AR is a member of the G protein coupled receptor (GPCR) family of membrane-spanning receptors that sense molecules outside the cell and activate internal signalling pathways. With a ubiquitous role in human physiology, GPCRs are prime targets for drug discovery. A third paper by Christopher Tate and his team describes crystal structures of a similar GPCR, the turkey β1-adrenergic receptor (β1AR), bound to full and partial agonists. Together, these new structures reveal the subtle structural changes that accompany agonist binding, showing how binding events inside and outside the cell membrane stabilize the receptor's active state. Agonist binding to β1AR is shown to induce a contraction of the catecholamine-binding pocket relative to the antagonist-bound receptor, and molecular-dynamics simulations of the β2AR agonist complex suggest that the agonist-bound active state spontaneously relaxes to an inactive-like state in the absence of a G protein. The X-ray crystal structure of the human β2 adrenergic receptor, a G-protein-coupled receptor (GPCR), covalently bound to a small-molecule agonist is solved. Comparison of this structure with structures of this GPCR in an inactive state and in an antibody-stabilized active state reveals how binding events at both the extracellular and intracellular surfaces stabilize the active conformation of the receptor. Molecular dynamics simulations suggest that the agonist-bound active state spontaneously relaxes to an inactive-like state in the absence of a G protein. G-protein-coupled receptors (GPCRs) are eukaryotic integral membrane proteins that modulate biological function by initiating cellular signalling in response to chemically diverse agonists. Despite recent progress in the structural biology of GPCRs1, the molecular basis for agonist binding and allosteric modulation of these proteins is poorly understood. Structural knowledge of agonist-bound states is essential for deciphering the mechanism of receptor activation, and for structure-guided design and optimization of ligands. However, the crystallization of agonist-bound GPCRs has been hampered by modest affinities and rapid off-rates of available agonists. Using the inactive structure of the human β2 adrenergic receptor (β2AR) as a guide, we designed a β2AR agonist that can be covalently tethered to a specific site on the receptor through a disulphide bond. The covalent β2AR-agonist complex forms efficiently, and is capable of activating a heterotrimeric G protein. We crystallized a covalent agonist-bound β2AR–T4L fusion protein in lipid bilayers through the use of the lipidic mesophase method2, and determined its structure at 3.5 Å resolution. A comparison to the inactive structure and an antibody-stabilized active structure (companion paper3) shows how binding events at both the extracellular and intracellular surfaces are required to stabilize an active conformation of the receptor. The structures are in agreement with long-timescale (up to 30 μs) molecular dynamics simulations showing that an agonist-bound active conformation spontaneously relaxes to an inactive-like conformation in the absence of a G protein or stabilizing antibody.

G protein-coupled receptors (GPCRs) respond to a diverse array of ligands, mediating cellular responses to hormones and neurotransmitters, as well as the senses of smell and taste. The structures of the GPCR rhodopsin and several G proteins have been determined by x-ray crystallography, yet the organization of the signaling complex between GPCRs and G proteins is poorly understood. The observations that some GPCRs are obligate heterodimers, and that many GPCRs form both homo- and heterodimers, has led to speculation that GPCR dimers may be required for efficient activation of G proteins. However, technical limitations have precluded a definitive analysis of G protein coupling to monomeric GPCRs in a biochemically defined and membrane-bound system. Here we demonstrate that a prototypical GPCR, the β 2 -adrenergic receptor (β 2 AR), can be incorporated into a reconstituted high-density lipoprotein (rHDL) phospholipid bilayer particle together with the stimulatory heterotrimeric G protein, Gs. Single-molecule fluorescence imaging and FRET analysis demonstrate that a single β 2 AR is incorporated per rHDL particle. The monomeric β 2 AR efficiently activates Gs and displays GTP-sensitive allosteric ligand-binding properties. These data suggest that a monomeric receptor in a lipid bilayer is the minimal functional unit necessary for signaling, and that the cooperativity of agonist binding is due to G protein association with a receptor monomer and not receptor oligomerization.

There is growing interest in using antibodies as auxiliary tools to crystallize proteins. Here we describe a general protocol for the generation of Nanobodies to be used as crystallization chaperones for the structural investigation of diverse conformational states of flexible (membrane) proteins and complexes thereof. Our technology has a competitive advantage over other recombinant crystallization chaperones in that we fully exploit the natural humoral response against native antigens. Accordingly, we provide detailed protocols for the immunization with native proteins and for the selection by phage display of in vivo–matured Nanobodies that bind conformational epitopes of functional proteins. Three representative examples illustrate that the outlined procedures are robust, making it possible to solve by Nanobody-assisted X-ray crystallography in a time span of 6–12 months.

The movements of transmembrane segments (TMs) 3 and 6 at the cytoplasmic side of the membrane play an important role in the activation of G-protein-coupled receptors. Here we provide evidence for the existence of an ionic lock that constrains the relative mobility of the cytoplasmic ends of TM3 and TM6 in the inactive state of the beta(2)-adrenergic receptor. We propose that the highly conserved Arg-131(3.50) at the cytoplasmic end of TM3 interacts both with the adjacent Asp-130(3.49) and with Glu-268(6.30) at the cytoplasmic end of TM6. Such a network of ionic interactions has now been directly supported by the high-resolution structure of the inactive state of rhodopsin. We hypothesized that the network of interactions would serve to constrain the receptor in the inactive state, and the release of this ionic lock could be a key step in receptor activation. To test this hypothesis, we made charge-neutralizing mutations of Glu-268(6.30) and of Asp-130(3.49) in the beta(2)-adrenergic receptor. Alone and in combination, we observed a significant increase in basal and pindolol-stimulated cAMP accumulation in COS-7 cells transiently transfected with the mutant receptors. Moreover, based on the increased accessibility of Cys-285(6.47) in TM6, we provide evidence for a conformational rearrangement of TM6 that is highly correlated with the extent of constitutive activity of the different mutants. The present experimental data together with the recent high-resolution structure of rhodopsin suggest that ionic interactions between Asp/Glu(3.49), Arg(3.50), and Glu(6.30) may constitute a common switch governing the activation of many rhodopsin-like G-protein-coupled receptors.

G-protein-coupled receptors (GPCRs) are seven-transmembrane proteins that mediate most cellular responses to hormones and neurotransmitters. They are the largest group of therapeutic targets for a broad spectrum of diseases. Recent crystal structures of GPCRs have revealed structural conservation extending from the orthosteric ligand-binding site in the transmembrane core to the cytoplasmic G-protein-coupling domains. In contrast, the extracellular surface (ECS) of GPCRs is remarkably diverse and is therefore an ideal target for the discovery of subtype-selective drugs. However, little is known about the functional role of the ECS in receptor activation, or about conformational coupling of this surface to the native ligand-binding pocket. Here we use NMR spectroscopy to investigate ligand-specific conformational changes around a central structural feature in the ECS of the beta(2) adrenergic receptor: a salt bridge linking extracellular loops 2 and 3. Small-molecule drugs that bind within the transmembrane core and exhibit different efficacies towards G-protein activation (agonist, neutral antagonist and inverse agonist) also stabilize distinct conformations of the ECS. We thereby demonstrate conformational coupling between the ECS and the orthosteric binding site, showing that drugs targeting this diverse surface could function as allosteric modulators with high subtype selectivity. Moreover, these studies provide a new insight into the dynamic behaviour of GPCRs not addressable by static, inactive-state crystal structures.