G protein-coupled receptors (GPCRs) generally accommodate specific ligands in the orthosteric-binding pockets. Ligand binding triggers a receptor allosteric conformational change that leads to the activation of intracellular transducers, G proteins and β-arrestins. Because these signals often induce adverse effects, the selective activation mechanism for each transducer must be elucidated. Thus, many orthosteric-biased agonists have been developed, and intracellular-biased agonists have recently attracted broad interest. These agonists bind within the receptor intracellular cavity and preferentially tune the specific signalling pathway over other signalling pathways, without allosteric rearrangement of the receptor from the extracellular side1-3. However, only antagonist-bound structures are currently available1,4-6, and there is no evidence to support that biased agonist binding occurs within the intracellular cavity. This limits the comprehension of intracellular-biased agonism and potential drug development. Here we report the cryogenic electron microscopy structure of a complex of Gs and the human parathyroid hormone type 1 receptor (PTH1R) bound to a PTH1R agonist, PCO371. PCO371 binds within an intracellular pocket of PTH1R and directly interacts with Gs. The PCO371-binding mode rearranges the intracellular region towards the active conformation without extracellularly induced allosteric signal propagation. PCO371 stabilizes the significantly outward-bent conformation of transmembrane helix 6, which facilitates binding to G proteins rather than β-arrestins. Furthermore, PCO371 binds within the highly conserved intracellular pocket, activating 7 out of the 15 class B1 GPCRs. Our study identifies a new and conserved intracellular agonist-binding pocket and provides evidence of a biased signalling mechanism that targets the receptor-transducer interface.

Abstract Adenosine receptors, expressed across various tissues, play pivotal roles in physiological processes and are implicated in diverse diseases, including neurological disorders and inflammation, highlighting the therapeutic potential of receptor-selective agents. The Adenosine A3 receptor (A 3 R), the last identified adenosine receptor, is also activated by breakdown products of post-transcriptionally modified tRNA and exhibits dual roles in neuron, heart, and immune cells, and is often overexpressed in tumors, making it a target for anticancer therapy. Despite extensive studies on the other adenosine receptors, the structure and activation mechanism of A 3 R, especially by selective agonists like N 6 -methyladenosine (m 6 A) and namodenoson, remained elusive. Here, we identified N 6 -isopentenyl adenosine (i 6 A), a novel A 3 R-selective ligand, via comprehensive modified adenosine library screening. Cryo-EM analyses of A 3 R-G i signaling complexes with two nonselective and three selective agonists revealed the structural basis for A 3 R activation. We further conducted structure-guided engineering of m 6 A-insensitive A 3 R, which would greatly facilitate future discoveries of the physiological functions of the selective activation of A 3 R by modified adenosines. Our results clarify the selective activation of adenosine receptors, providing the basis for future drug discovery.

Abstract GPR34 is a recently identified G-protein coupled receptor, which has an immunomodulatory role and recognizes lysophosphatidylserine (LysoPS) as a putative ligand. Here, we report cryo-electron microscopy structures of human GPR34-G i complex bound with either the LysoPS analogue S3E-LysoPS, which contains an ethoxy group at the sn -1 position, or M1, a derivative of S3E-LysoPS in which oleic acid is substituted with a metabolically stable aromatic fatty acid surrogate. In both structures, the ligand-binding pocket is laterally open toward the membrane, allowing lateral entry of lipidic agonists into the cavity. The amine and carboxylate groups of the serine moiety are recognized by the charged residue cluster, and the aromatic fatty acid surrogate of M1 forms stable hydrophobic interactions with the cavity, thus acting as a superagonist. Molecular dynamics simulations further account for the LysoPS-regioselectivity of GPR34. Thus, using a series of structural and physiological experiments, we provide evidence that chemically unstable 2-acyl LysoPS is the physiological ligand for GPR34, suggesting its short signal duration. Overall, we anticipate the present structures will pave the way for development of novel anticancer drugs that specifically target GPR34.