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.

Summary ChRmine 1 , a recently-discovered bacteriorhodopsin-like cation-conducting channelrhodopsin 1, 2 , exhibits puzzling properties (unusually-large photocurrents, exceptional red-shift in action spectrum, and extreme light-sensitivity) that have opened up new opportunities in optogenetics 1, 3–5 . ChRmine and its homologs function as light-gated ion channels, but by primary sequence more closely resemble ion pump rhodopsins; the molecular mechanisms for passive channel conduction in this family of proteins, as well as the unusual properties of ChRmine itself, have remained mysterious. Here we present the cryo-electron microscopy structure of ChRmine at 2.0 Å resolution. The structure reveals striking architectural features never seen before in channelrhodopsins including trimeric assembly, a short transmembrane-helix 3 unwound in the middle of the membrane, a prominently-twisting extracellular-loop 1, remarkably-large intracellular cavities and extracellular vestibule, and an unprecedented hydrophilic pore that extends through the center of the trimer, separate from the three individual monomer pores. Electrophysiological, spectroscopic, and computational analyses provide insight into conduction and gating of light-gated channels with these distinct design features, and point the way toward structure-guided creation of novel channelrhodopsins for optogenetic applications in biology.

Abstract Vitamin C plays important roles as a cofactor in many enzymatic reactions and as an antioxidant against oxidative stress. As some mammals including humans cannot synthesize vitamin C de novo from glucose, its uptake from dietary sources is essential, and is mediated by the sodium-dependent vitamin C transporter 1 (SVCT1). Despite its physiological significance in maintaining vitamin C homeostasis, the structural basis of the substrate transport mechanism remained unclear. Here, we report the cryo-EM structures of human SVCT1 in different states at 2.5–3.5 Å resolutions. The binding manner of vitamin C together with two sodium ions reveals the counter ion-dependent substrate recognition mechanism. Furthermore, comparisons of the inward-open and occluded structures support a transport mechanism combining elevator and distinct rotational motions. Our results demonstrate the molecular mechanism of vitamin C transport with its underlying conformational cycle, potentially leading to future industrial and medical applications.

Abstract Glutamate is a pivotal excitatory neurotransmitter in mammalian brains, but excessive glutamate causes numerous neural disorders. Almost all extracellular glutamate is retrieved by the glial transporter, Excitatory Amino Acid Transporter 2 (EAAT2), belonging to the SLC1A family. However, in some cancers, EAAT2 expression is enhanced and causes resistance to therapies by metabolic disturbance. Despite its crucial roles, the detailed structural information about EAAT2 has not been available. Here, we report cryo-EM structures of human EAAT2 in substrate-free and selective inhibitor WAY213613-bound states. EAAT2 forms a trimer, with each protomer consisting of transport and scaffold domains. Along with a glutamate-binding site, the transport domain possesses a cavity, that could be disrupted during the transport cycle. WAY213613 occupies both the glutamate-binding site and cavity of EAAT2 to interfere with its alternating access, where the sensitivity is defined by the inner environment of the cavity. This is the first characterization of molecular features of EAAT2 and the selective inhibition mechanism, underlying structure-based drug design for EAAT2.

ABSTRACT MgtE is a Mg 2+ channel conserved in organisms ranging from prokaryotes to eukaryotes, including humans, and plays an important role in Mg 2+ homeostasis. The previously determined MgtE structures in the Mg 2+ -bound, closed state and structure-based functional analyses of MgtE revealed that the binding of Mg 2+ ions to the MgtE cytoplasmic domain induces channel inactivation to maintain Mg 2+ homeostasis. However, due to the lack of a structure of the MgtE channel, including its transmembrane domain in Mg 2+ -free conditions, the pore-opening mechanism of MgtE has remained unclear. Here, we determined the cryoelectron microscopy (cryo-EM) structure of the MgtE-Fab complex in the absence of Mg 2+ ions. The Mg 2+ -free MgtE transmembrane domain structure and its comparison with the Mg 2+ -bound, closed-state structure, together with functional analyses, showed the Mg 2+ -dependent pore opening of MgtE on the cytoplasmic side and revealed the kink motions of the TM2 and TM5 helices at the glycine residues, which are important for channel activity. Overall, our work provides structure-based mechanistic insights into the channel gating of MgtE.

The L-type amino acid transporter 1 (LAT1) transports large neutral amino acids and drugs across the plasma membrane and is crucial for nutrient uptake, brain drug delivery and tumor growth. LAT1 is a unique solute carrier that forms a disulfide-linked heterodimer with the cell-surface glycoprotein CD98 heavy chain (CD98hc), but the mechanisms of its molecular assembly and amino acid transport are poorly understood. Here we report the cryo-EM structure of the human LAT1-CD98hc heterodimer at 3.4 Å resolution, revealing the hitherto unprecedented architecture of a solute carrier-glycoprotein heterocomplex. LAT1 features a canonical LeuT-fold while exhibiting an unusual loop structure on transmembrane helix 6, creating an extended cavity to accommodate bulky hydrophobic amino acids and drugs. CD98hc engages with LAT1 through multiple interactions, not only in the extracellular and transmembrane domains but also in the interdomain linker. The heterodimer interface features multiple sterol molecules, corroborating previous biochemical data on the role of cholesterols in heterodimer stabilization. We also visualized the binding modes of two anti-CD98 antibodies and show that they recognize distinct, multiple epitopes on CD98hc but not its glycans, explaining their robust reactivities despite the glycan heterogeneity. Furthermore, we mapped disease-causing mutations onto the structure and homology models, which rationalized some of the phenotypes of SLC3- and SLC7-related congenital disorders. Together, these results shed light on the principles of the structural assembly between a glycoprotein and a solute carrier, and provide a template for improving preclinical drugs and therapeutic antibodies targeting LAT1 and CD98.

Maintenance of cell volume against osmotic change is crucial for proper cell functions, such as cell proliferation and migration. The leucine-rich repeat-containing 8 (LRRC8) proteins are anion selective channels, and were recently identified as pore components of the volume-regulated anion channels (VRACs), which extrude anions to decrease the cell volume upon cell-swelling. Here, we present the human LRRC8A structure, determined by a single-particle cryo-electron microscopy analysis. The sea anemone-like structure represents a trimer of dimers assembly, rather than a symmetrical hexameric assembly. The four-spanning transmembrane region has a gap junction channel-like membrane topology, while the LRR region containing 15 leucine-rich repeats forms a long twisted arc. The channel pore is along the central axis and constricted on the extracellular side, where the highly conserved polar and charged residues at the tip of the extracellular helix contribute to the anion and other osmolyte permeability. Comparing the two structural populations facilitated the identification of both compact and relaxed conformations, suggesting that the LRR region is flexible and mobile with rigid-body motions, which might be implicated in structural transitions upon pore opening. Overall, our structure provides a framework for understanding the molecular mechanisms of this unique class of ion channels.

Calcium homeostasis modulator (CALHM) family proteins are Ca2+-regulated ATP-release channels involved in neural functions including neurotransmission in gustation. Here we present the cryo-EM structures of killifish CALHM1, human CALHM2, and C. elegans CLHM-1 at resolutions of 2.66, 3.51, and 3.60 Å, respectively. The CALHM1 octamer structure reveals that the N-terminal helix forms the constriction site at the channel pore in the open state, and modulates the ATP conductance. The CALHM2 undecamer and CLHM-1 nonomer structures show the different oligomeric stoichiometries among CALHM homologs. We further report the cryo-EM structures of the chimeric construct, revealing that the inter-subunit interactions at the transmembrane domain define the oligomeric stoichiometry. These findings advance our understanding of the ATP conduction and oligomerization mechanisms of CALHM channels.