Abstract Vision is initiated by the rhodopsin family of light-sensitive G protein-coupled receptors (GPCRs). A photon is absorbed by the 11- cis retinal chromophore of rhodopsin which isomerises within 200 femtoseconds to the all- trans conformation, thereby initiating the cellular signal transduction processes that ultimately lead to vision. However, the intramolecular mechanism by which the photoactivated retinal induces the activation events inside rhodopsin remains elusive. In this work, we use ultrafast time-resolved crystallography at room temperature to determine how an isomerised twisted all-trans retinal stores the photon energy required to initiate protein conformational changes associated with the formation of the G protein-binding signalling state. The distorted retinal at 1 ps time-delay of photoactivation has pulled away from half of its numerous interactions with its binding pocket, and the excess of the photon energy is released through an anisotropic protein breathing motion in the direction of the extracellular space. Strikingly, the very early structural motions in the protein side chains of rhodopsin appear in regions involved in later stages of the conserved Class A GPCR activation mechanism. Our work sheds light on the earliest stages of vision in vertebrates and points to fundamental aspects of the molecular mechanisms of agonist-mediated GPCR activation.

Abstract Animal vision depends on opsins, a category of G protein-coupled receptor (GPCR) that achieves light sensitivity by covalent attachment to retinal. Typically binding as an inverse agonist in the 11-cis form, retinal photoisomerizes to the all-trans isomer and activates the receptor, initiating downstream signaling cascades. Retinal bound to bistable opsins isomerizes back to the 11-cis state after absorption of a second photon, inactivating the receptor. Bistable opsins are essential for invertebrate vision and non-visual light perception across the animal kingdom. While crystal structures are available for bistable opsins in the inactive state, it has proven difficult to form homogeneous populations of activated bistable opsins either via illumination or reconstitution with all-trans retinal. Here we show that a non-natural retinal analogue, all-trans retinal 6.11 (ATR6.11), can be reconstituted with the invertebrate bistable opsin, Jumping Spider Rhodopsin-1 (JSR1). Biochemical activity assays demonstrate that ATR6.11 functions as an agonist of JSR1. ATR6.11 binding also enables complex formation between JSR1 and downstream signaling partners. Our findings demonstrate the utility of retinal analogues for biophysical characterization of bistable opsins, which will deepen our understanding of light perception in animals.

Abstract The adhesion G-protein coupled receptor Adgrg6 (formerly Gpr126) is instrumental in the development, maintenance and repair of peripheral nervous system myelin. The prion protein (PrP) is a potent activator of Adgrg6 and could be used as a potential therapeutic agent in treating peripheral demyelinating and dysmyelinating diseases. We designed a dimeric Fc-fusion protein comprising the myelinotrophic domain of PrP (FT 2 Fc), which activated Adgrg6 in vitro and exhibited favorable pharmacokinetic properties for in vivo treatment of peripheral neuropathies. While chronic FT 2 Fc treatment elicited specific transcriptomic changes in the sciatic nerves of PrP knockout mice, no amelioration of the peripheral demyelinating neuropathy was detected. Instead, RNA sequencing of sciatic nerves revealed downregulation of cytoskeletal and sarcomere genes, akin to the gene expression changes seen in myopathic skeletal muscle of PrP overexpressing mice. These results call for caution when devising myelinotrophic therapies based on PrP-derived Adgrg6 ligands. While our treatment approach was not successful, Adgrg6 remains an attractive therapeutic target to be addressed in other disease models or by using different biologically active Adgrg6 ligands. Summary blurb A dimeric prion protein ligand activates Adgrg6 but fails to induce pro-myelination signaling upon chronic treatment in a mouse model of peripheral demyelination.

Abstract G protein-coupled receptors (GPCRs) are the largest class of integral membrane proteins and represent key targets for pharmacological research. GPCRs modulate cell physiology by engaging and activating a diversity of intracellular transducers, prominently heterotrimeric G proteins, but also G protein-receptor kinases (GRKs) and arrestins. The recent surge in the number of structures of GPCR-G protein complexes has expanded our understanding of G protein recognition and GPCR-mediated signal transduction. However, many aspects of these mechanisms, including the existence of transient interactions with transducers, have remained elusive. Here, we present the cryo-EM structure of the light-sensitive GPCR rhodopsin in complex with heterotrimeric Gi. In contrast to all reported structures, our density map reveals the receptor C-terminal tail bound to the Gβ subunit of the G protein heterotrimer. This observation provides a structural foundation for the role of the C-terminal tail in GPCR signaling, and of Gβ as scaffold for recruiting Gα subunits and GRKs. By comparing all available complex structures, we found a small set of common anchoring points that are G protein-subtype specific. Taken together, our structure and analysis provide new structural basis for the molecular events of the GPCR signaling pathway.

Animal vision depends on opsins, a category of G protein-coupled receptor (GPCR) that achieves light sensitivity by covalent attachment to retinal. Typically binding as an inverse agonist, 11-cis retinal photoisomerizes to the all-trans isomer and activates the receptor, initiating downstream signaling cascades. Retinal bound to bistable opsins isomerizes back to the 11-cis state after absorption of a second photon, inactivating the receptor. Bistable opsins are essential for invertebrate vision and nonvisual light perception across the animal kingdom. While crystal structures are available for bistable opsins in the inactive state, it has proven difficult to form homogeneous populations of activated bistable opsins either via illumination or reconstitution with all-trans retinal. Here, we show that a nonnatural retinal analog, all-trans retinal 6.11 (ATR6.11), can be reconstituted with the invertebrate bistable opsin, Jumping Spider Rhodopsin-1 (JSR1). Biochemical activity assays demonstrate that ATR6.11 functions as a JSR1 agonist. ATR6.11 binding also enables complex formation between JSR1 and signaling partners. Our findings demonstrate the utility of retinal analogs for biophysical characterization of bistable opsins, which will deepen our understanding of light perception in animals.