SUMMARY Large library docking can reveal unexpected chemotypes that complement the structures of biological targets. Seeking new agonists for the cannabinoid-1 receptor (CB1R), we docked 74 million tangible molecules, prioritizing 46 high ranking ones for de novo synthesis and testing. Nine were active by radioligand competition, a 20% hit-rate. Structure-based optimization of one of the most potent of these (K i = 0.7 µM) led to ‘4042 , a 1.9 nM ligand and a full CB1R agonist. A cryo-EM structure of the purified enantiomer of ‘4042 ( ‘1350 ) in complex with CB1R-G i1 confirmed its docked pose. The new agonist was strongly analgesic, with generally a 5-10-fold therapeutic window over sedation and catalepsy and no observable conditioned place preference. These findings suggest that new cannabinoid chemotypes may disentangle characteristic cannabinoid side-effects from their analgesia, supporting the further development of cannabinoids as pain therapeutics.

The cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) is a crucial ion channel whose loss of function leads to cystic fibrosis, while its hyperactivation leads to secretory diarrhea. Small molecules that improve CFTR folding (correctors) or function (potentiators) are clinically available. However, the only potentiator, ivacaftor, has suboptimal pharmacokinetics and inhibitors have yet to be clinically developed. Here we combine molecular docking, electrophysiology, cryo-EM, and medicinal chemistry to identify novel CFTR modulators. We docked ~155 million molecules into the potentiator site on CFTR, synthesized 53 test ligands, and used structure-based optimization to identify candidate modulators. This approach uncovered novel mid-nanomolar potentiators as well as inhibitors that bind to the same allosteric site. These molecules represent potential leads for the development of more effective drugs for cystic fibrosis and secretory diarrhea, demonstrating the feasibility of large-scale docking for ion channel drug discovery.

Abstract Drugs acting as positive allosteric modulators (PAMs) to enhance the activation of the calcium sensing receptor (CaSR) and to suppress parathyroid hormone (PTH) secretion can treat hyperparathyroidism but suffer from side effects including hypocalcemia and arrhythmias. Seeking new CaSR modulators, we docked libraries of 2.7 million and 1.2 billion molecules against transforming pockets in the active-state receptor dimer structure. Consistent with simulations suggesting that docking improves with library size, billion-molecule docking found new PAMs with a hit rate that was 2.7-fold higher than the million-molecule library and with hits up to 37-fold more potent. Structure-based optimization of ligands from both campaigns led to nanomolar leads, one of which was advanced to animal testing. This PAM displays 100-fold the potency of the standard of care, cinacalcet, in ex vivo organ assays, and reduces serum PTH levels in mice by up to 80% without the hypocalcemia typical of CaSR drugs. Cryo-EM structures with the new PAMs show that they induce residue rearrangements in the binding pockets and promote CaSR dimer conformations that are closer to the G-protein coupled state compared to established drugs. These findings highlight the promise of large library docking for therapeutic leads, especially when combined with experimental structure determination and mechanism. One sentence summary Structure-based virtual screening uncovers novel CaSR allosteric modulators with enhanced efficacy and less side effects.