Allosteric modulation of pentameric ligand-gated ion channels (pLGICs) is critical to the action of neurotransmitters and many psychoactive drugs. However, details of their modulatory mechanisms remain unclear, especially beyond the orthosteric neurotransmitter-binding sites. The recently reported prokaryotic channel sTeLIC, a pH-gated homolog of eukaryotic receptors in the pLGIC family, is thought to be modulated by aromatic compounds via a relatively uncharacterized modulatory site in the extracellular vestibule. Here, we show that sTeLIC is sensitive to potentiation by psychostimulant derivatives. By determining new cryo-EM and X-ray structures in closed and open states, and testing the impact of targeted mutations on electrophysiological behavior, we show that several amphiphilic compounds preferentially bind a vestibular pocket in the contracted open-state extracellular domain. This work provides a detailed structure-function mechanism for allosteric potentiation via a noncanonical ligand site, with potential conservation in eukaryotic pentameric ligand-gated ion channels.

SUMMARY The neurotransmitter γ-aminobutyric acid (GABA) drives critical inhibitory processes in and beyond the nervous system, partly via ionotropic type-A receptors (GABA A Rs). Pharmacological properties of ρ-type GABA A Rs are particularly distinctive, yet the structural basis for their specialization remains unclear. Here we present cryo-EM structures of a lipid-embedded human ρ1 GABA A R, including a partial intracellular domain, under apo, inhibited, and desensitized conditions. An apparent resting state, determined first in the absence of modulators, was recapitulated with the specific inhibitor (1,2,5,6-tetrahydropyridin-4-yl)methylphosphinic acid and blocker picrotoxin, and provided a rationale for bicuculline insensitivity. Comparative structures, mutant recordings, and molecular simulations with and without GABA further explained the sensitized but slower activation of ρ1 relative to canonical subtypes. Combining GABA with picrotoxin also captured an apparent uncoupled intermediate state. This work reveals structural mechanisms of gating and modulation with applications to ρ-specific pharmaceutical design, and to our biophysical understanding of ligand-gated ion channels.

Abstract The family of ρ-type GABA A receptors includes potential therapeutic targets in several neurological conditions, and features distinctive pharmacology compared to other subtypes. Here we combine structures, recordings and simulations to characterize the binding and conformational impact of the drugs THIP (a non-opioid analgesic), CGP36742 (phosphinic acid inhibitor) and GABOB (an anticonvulsant) on a human ρ1 GABA A receptor. We identify a distinctive binding pose of THIP in ρ1 versus neuronal α4β3δ GABA A receptors, offering a rationale for its inverse effects on these subtypes. CGP36742 binding is similar to the canonical ρ-type inhibitor TPMPA, supporting a shared mechanism of action among phosphinic acid inhibitors. Binding of GABOB is similar to that of GABA, but produces a mixture of primed and desensitized states, likely underlying its weaker agonist activity. Together, these results elucidate interactions of a ρ-type GABA A receptor with therapeutic drugs, offering mechanistic insights and a prospective basis for further pharmaceutical development.