The presence and function of CB 2 receptors in central nervous system (CNS) neurons are controversial. We report the expression of CB 2 receptor messenger RNA and protein localization on brainstem neurons. These functional CB 2 receptors in the brainstem were activated by a CB 2 receptor agonist, 2-arachidonoylglycerol, and by elevated endogenous levels of endocannabinoids, which also act at CB 1 receptors. CB 2 receptors represent an alternative site of action of endocannabinoids that opens the possibility of nonpsychotropic therapeutic interventions using enhanced endocannabinoid levels in localized brain areas.

Anandamide, an endogenous ligand for central cannabinoid receptors, is released from neurons on depolarization and rapidly inactivated. Anandamide inactivation is not completely understood, but it may occur by transport into cells or by enzymatic hydrolysis. The compound N -(4-hydroxyphenyl)arachidonylamide (AM404) was shown to inhibit high-affinity anandamide accumulation in rat neurons and astrocytes in vitro, an indication that this accumulation resulted from carrier-mediated transport. Although AM404 did not activate cannabinoid receptors or inhibit anandamide hydrolysis, it enhanced receptor-mediated anandamide responses in vitro and in vivo. The data indicate that carrier-mediated transport may be essential for termination of the biological effects of anandamide, and may represent a potential drug target.

Summary

 Cannabinoid receptor 1 (CB₁) is the principal target of Δ⁹-tetrahydrocannabinol (THC), a psychoactive chemical from Cannabis sativa with a wide range of therapeutic applications and a long history of recreational use. CB₁ is activated by endocannabinoids and is a promising therapeutic target for pain management, inflammation, obesity, and substance abuse disorders. Here, we present the 2.8 Å crystal structure of human CB₁ in complex with AM6538, a stabilizing antagonist, synthesized and characterized for this structural study. The structure of the CB₁-AM6538 complex reveals key features of the receptor and critical interactions for antagonist binding. In combination with functional studies and molecular modeling, the structure provides insight into the binding mode of naturally occurring CB₁ ligands, such as THC, and synthetic cannabinoids. This enhances our understanding of the molecular basis for the physiological functions of CB₁ and provides new opportunities for the design of next-generation CB₁-targeting pharmaceuticals.

The current need for novel antibiotics is especially acute for drug-resistant Gram-negative pathogens1,2. These microorganisms have a highly restrictive permeability barrier, which limits the penetration of most compounds3,4. As a result, the last class of antibiotics that acted against Gram-negative bacteria was developed in the 1960s2. We reason that useful compounds can be found in bacteria that share similar requirements for antibiotics with humans, and focus on Photorhabdus symbionts of entomopathogenic nematode microbiomes. Here we report a new antibiotic that we name darobactin, which was obtained using a screen of Photorhabdus isolates. Darobactin is coded by a silent operon with little production under laboratory conditions, and is ribosomally synthesized. Darobactin has an unusual structure with two fused rings that form post-translationally. The compound is active against important Gram-negative pathogens both in vitro and in animal models of infection. Mutants that are resistant to darobactin map to BamA, an essential chaperone and translocator that folds outer membrane proteins. Our study suggests that bacterial symbionts of animals contain antibiotics that are particularly suitable for development into therapeutics. Bacterial symbionts of animals may contain antibiotics that are particularly suitable for development into therapeutics; one such compound, darobactin, is active against important Gram-negative pathogens both in vitro and in animal models of infection.

CB(2) cannabinoid receptor-selective agonists are promising candidates for the treatment of pain. CB(2) receptor activation inhibits acute, inflammatory, and neuropathic pain responses but does not cause central nervous system (CNS) effects, consistent with the lack of CB(2) receptors in the normal CNS. To date, there has been virtually no information regarding the mechanism of CB(2) receptor-mediated inhibition of pain responses. Here, we test the hypothesis that CB(2) receptor activation stimulates release from keratinocytes of the endogenous opioid beta-endorphin, which then acts at opioid receptors on primary afferent neurons to inhibit nociception. The antinociceptive effects of the CB(2) receptor-selective agonist AM1241 were prevented in rats when naloxone or antiserum to beta-endorphin was injected in the hindpaw where the noxious thermal stimulus was applied, suggesting that beta-endorphin is necessary for CB(2) receptor-mediated antinociception. Further, AM1241 did not inhibit nociception in mu-opioid receptor-deficient mice. Hindpaw injection of beta-endorphin was sufficient to produce antinociception. AM1241 stimulated beta-endorphin release from rat skin tissue and from cultured human keratinocytes. This stimulation was prevented by AM630, a CB(2) cannabinoid receptor-selective antagonist and was not observed in skin from CB(2) cannabinoid receptor-deficient mice. These data suggest that CB(2) receptor activation stimulates release from keratinocytes of beta-endorphin, which acts at local neuronal mu-opioid receptors to inhibit nociception. Supporting this possibility, CB(2) immunolabeling was detected on beta-endorphin-containing keratinocytes in stratum granulosum throughout the epidermis of the hindpaw. This mechanism allows for the local release of beta-endorphin, where CB(2) receptors are present, leading to anatomical specificity of opioid effects.

We designed AM1241, a selective CB 2 cannabinoid receptor agonist, and used it to test the hypothesis that CB 2 receptor activation would reverse the sensory hypersensitivity observed in neuropathic pain states. AM1241 exhibits high affinity and selectivity for CB 2 receptors. It also exhibits high potency in vivo . AM1241 dose-dependently reversed tactile and thermal hypersensitivity produced by ligation of the L5 and L6 spinal nerves in rats. These effects were selectively antagonized by a CB 2 but not by a CB 1 receptor antagonist, suggesting that they were produced by actions of AM1241 at CB 2 receptors. AM1241 was also active in blocking spinal nerve ligation-induced tactile and thermal hypersensitivity in mice lacking CB 1 receptors (CB 1 -/- mice), confirming that AM1241 reverses sensory hypersensitivity independent of actions at CB 1 receptors. These findings demonstrate a mechanism leading to the inhibition of pain, one that targets receptors localized exclusively outside the CNS. Further, they suggest the potential use of CB 2 receptor-selective agonists for treatment of human neuropathic pain, a condition currently without consistently effective therapies. CB 2 receptor-selective agonist medications are predicted to be without the CNS side effects that limit the effectiveness of currently available medications.

Crystal structures of the human cannabinoid receptor 1 (CB1) bound to the agonists AM11542 and AM841 reveal notable structural rearrangements upon receptor activation, and this flexibility may be a common feature among other G-protein-coupled receptors. The human cannabinoid receptor 1 (CB1) is the main target of the plant cannabinoid Δ9-tetrahydrocannbinol (Δ9-THC), the key psychoactive compound in Cannabis sativa. CB1 is activated by endocannabinoids and is a therapeutic target for pain management, epilepsy and obesity, among others, although an active receptor structure is still lacking. Here, Zhi-Jie Liu and colleagues report the crystal structure of CB1 activated by two potent Δ9-THC derivatives, AM11542 and AM841. Both of these agonists have a gem-dimethyl group on their alkyl chain which leads to significant enhancement in their potency and efficacy. Receptor activation involves large-scale structural rearrangements on both extracellular and cytoplasmic sides and a significant reduction in the size of the binding pocket. These conformational changes involve a novel molecular 'twin toggle switch', the synergistic movement of two key residues during activation, which the authors suggest may be common to other G-protein-coupled receptors. The cannabinoid receptor 1 (CB1) is the principal target of the psychoactive constituent of marijuana, the partial agonist Δ9-tetrahydrocannabinol (Δ9-THC)1. Here we report two agonist-bound crystal structures of human CB1 in complex with a tetrahydrocannabinol (AM11542) and a hexahydrocannabinol (AM841) at 2.80 Å and 2.95 Å resolution, respectively. The two CB1–agonist complexes reveal important conformational changes in the overall structure, relative to the antagonist-bound state2, including a 53% reduction in the volume of the ligand-binding pocket and an increase in the surface area of the G-protein-binding region. In addition, a ‘twin toggle switch’ of Phe2003.36 and Trp3566.48 (superscripts denote Ballesteros–Weinstein numbering3) is experimentally observed and appears to be essential for receptor activation. The structures reveal important insights into the activation mechanism of CB1 and provide a molecular basis for predicting the binding modes of Δ9-THC, and endogenous and synthetic cannabinoids. The plasticity of the binding pocket of CB1 seems to be a common feature among certain class A G-protein-coupled receptors. These findings should inspire the design of chemically diverse ligands with distinct pharmacological properties.

As a potent, specific antagonist for the brain cannabinoid receptor (CB1), the biarylpyrazole N-(piperidin-1-yl)-5-(4-chlorophenyl)-1-(2,4-dichlorophenyl)-4-methyl-1H-pyrazole-3-carboxamide (SR141716A; 1) was the lead compound for initiating studies designed to examine the structure−activity relationships of related compounds and to search for more selective and potent cannabimimetic ligands. A series of pyrazole derivatives was designed and synthesized to aid in the characterization of the cannabinoid receptor binding sites and also to serve as potentially useful pharmacological probes. Therapeutically, such compounds may have the ability to antagonize harmful side effects of cannabinoids and cannabimimetic agents. Structural requirements for potent and selective brain cannabinoid CB1 receptor antagonistic activity included (a) a para-substituted phenyl ring at the 5-position, (b) a carboxamido group at the 3-position, and (c) a 2,4-dichlorophenyl substituent at the 1-position of the pyrazole ring. The most potent compound of this series contained a p-iodophenyl group at the 5-position, a piperidinyl carboxamide at the 3-position, and a 2,4-dichlorophenyl group at the 1-position of the pyrazole ring. The iodinated nature of this compound offers additional utility as a γ-enriching SPECT (single photon emission computed tomography) ligand that may be useful in characterizing brain CB1 receptor binding in vivo.

Obesity and its metabolic consequences are a major public health concern worldwide. Obesity is associated with overactivity of the endocannabinoid system, which is involved in the regulation of appetite, lipogenesis, and insulin resistance. Cannabinoid-1 receptor (CB1R) antagonists reduce body weight and improve cardiometabolic abnormalities in experimental and human obesity, but their therapeutic potential is limited by neuropsychiatric side effects. Here we have demonstrated that a CB1R neutral antagonist largely restricted to the periphery does not affect behavioral responses mediated by CB1R in the brains of mice with genetic or diet-induced obesity, but it does cause weight-independent improvements in glucose homeostasis, fatty liver, and plasma lipid profile. These effects were due to blockade of CB1R in peripheral tissues, including the liver, as verified through the use of CB1R-deficient mice with or without transgenic expression of CB1R in the liver. These results suggest that targeting peripheral CB1R has therapeutic potential for alleviating cardiometabolic risk in obese patients.

Cannabinoid receptor agonists diminish responses to painful stimuli. Extensive evidence implicates the CB(1) receptor in the production of antinociception. However, the capacity of CB(2) receptors, which are located outside the central nervous system (CNS), to produce antinociception is not known. Using AM1241, a CB(2) receptor-selective agonist, we demonstrate that CB(2) receptors produce antinociception to thermal stimuli. Injection of AM1241 in the hindpaw produced antinociception to a stimulus applied to the same paw. Injection of an equivalent dose of AM1241 into the paw contralateral to the side of testing did not. The antinociceptive actions of AM1241 were blocked by the CB(2) receptor-selective antagonist AM630, but not by the CB(1) receptor-selective antagonist AM251. AM1241 also produced antinociception when injected systemically (intraperitoneally). The antinociceptive actions of systemic AM1241 were blocked by injection of AM630 into the paw where the thermal stimulus was applied, but not the contralateral paw. These findings demonstrate the local, peripheral nature of CB(2) cannabinoid antinociception. AM1241 did not produce the CNS cannabinoid effects of hypothermia, catalepsy, inhibition of activity or impaired ambulation, while this tetrad of effects was produced by the mixed CB(1)/CB(2) receptor agonist WIN55,212-2. Peripheral antinociception without CNS effects is consistent with the peripheral distribution of CB(2) receptors. CB(2) receptor agonists may have promise clinically for the treatment of pain without CNS cannabinoid side effects.