Abstract Bitter taste receptors (TAS2Rs), a subfamily of G-protein coupled receptors (GPCRs) expressed orally and extraorally, elicit signaling in response to a large set of ligands. Among the 25 functional TAS2Rs encoded in the human genome, TAS2R14 is the most promiscuous, and responds to hundreds of chemically diverse agonists. Here, we present the cryo–electron microscopy (cryo-EM) structure of the human TAS2R14 (hTAS2R14) in complex with its cognate signaling partner gustducin, and bound to flufenamic acid (FFA), a clinically approved nonsteroidal anti-inflammatory drug. The structure reveals an unusual binding mode for FFA, where two copies are bound at distinct binding pockets: one at the canonical GPCR site within the trans-membrane bundle, and the other in the intracellular facet, bridging the receptor with gustducin. Combined with site-directed mutagenesis and the design of a fluorescent FFA derivative for pocket-specific ligand binding BRET assays, our studies support a dual binding mode for FFA in TAS2R14. These results fill a gap in the understanding of bitter taste signaling and provide tools for guided design of TAS2R-targeted compounds.

The G protein-coupled serotonin receptor 5-HT1AR mediates antinociception and may serve as a valuable target for the treatment of pain. Starting from a chemical library, ST171, a bitopic chemotype activating 5 HT1AR was evolved. In vitro pharmacological investigations of ST171 revealed potent and selective Gi activation (EC50 = 0.3 nM), with marginal Gs and beta-arrestin recruitment. Preclinical studies in mice showed that ST171 was effective in acute and chronic (inflammatory and neuropathic) pain models, without causing sedation. Comparison of cryo-EM structures of a 5-HT1AR-Gi complex bound to the functionally biased agonist ST171, with a structure bound to the functionally balanced agonist befiradol, showed that both ligands bind to the same orthosteric site, but address different exo-sites. The individual poses are associated with ligand-specific helical dispositions and rearrangements of microdomains. Complementation of these studies with molecular dynamics simulations allowed us to derive structural features associated with the functional selectivity of ST171, a phenomenon that may be crucial to the discovery of more effective and safe GPCR drugs.