Fast inhibitory neurotransmission is essential for nervous system function and is mediated by binding of inhibitory neurotransmitters to receptors of the Cys-loop family embedded in the membranes of neurons. Neurotransmitter binding triggers a conformational change in the receptor, opening an intrinsic chloride channel and thereby dampening neuronal excitability. Here we present the first three-dimensional structure, to our knowledge, of an inhibitory anion-selective Cys-loop receptor, the homopentameric Caenorhabditis elegans glutamate-gated chloride channel α (GluCl), at 3.3 Å resolution. The X-ray structure of the GluCl–Fab complex was determined with the allosteric agonist ivermectin and in additional structures with the endogenous neurotransmitter l-glutamate and the open-channel blocker picrotoxin. Ivermectin, used to treat river blindness, binds in the transmembrane domain of the receptor and stabilizes an open-pore conformation. Glutamate binds in the classical agonist site at subunit interfaces, and picrotoxin directly occludes the pore near its cytosolic base. GluCl provides a framework for understanding mechanisms of fast inhibitory neurotransmission and allosteric modulation of Cys-loop receptors. The atomic resolution structure of the glutamate-gated chloride channel (GluCl) from Caenorhabditis elegans has been determined, in the presence of the allosteric agonist ivermectin, the endogenous neurotransmitter L-glutamate and the open-channel blocker picrotoxin. These structures provide a framework for understanding mechanisms of the fast inhibitory neurotransmission that is essential for nervous system function.

Fast inhibitory neurotransmission in the brain is principally mediated by the neurotransmitter GABA (γ-aminobutyric acid) and its synaptic target, the type A GABA receptor (GABA

Nicotinic acetylcholine receptors are ligand-gated ion channels that mediate fast chemical neurotransmission; here, the first X-ray crystal structure of a nicotinic receptor is reported, revealing how nicotine stabilizes the receptor in a non-conducting, desensitized conformation. Nicotinic acetylcholine receptors are ligand-gated ion channels that mediate fast chemical neurotransmission at the neuromuscular junction and have diverse signalling roles in the central nervous system. In this manuscript, the authors report the first X-ray crystal structure of the human α4β2 nicotinic receptor, the most abundant nicotinic subtype in the brain. In addition to representing the first high-resolution structure of a heteromeric member of the pentameric 'Cys-loop' receptor family, the structure was obtained in the presence of nicotine and reveals how this agonist stabilizes the receptor in a non-conducting, desensitized conformation. Nicotinic acetylcholine receptors are ligand-gated ion channels that mediate fast chemical neurotransmission at the neuromuscular junction and have diverse signalling roles in the central nervous system. The nicotinic receptor has been a model system for cell-surface receptors, and specifically for ligand-gated ion channels, for well over a century1,2. In addition to the receptors’ prominent roles in the development of the fields of pharmacology and neurobiology, nicotinic receptors are important therapeutic targets for neuromuscular disease, addiction, epilepsy and for neuromuscular blocking agents used during surgery2,3,4. The overall architecture of the receptor was described in landmark studies of the nicotinic receptor isolated from the electric organ of Torpedo marmorata5. Structures of a soluble ligand-binding domain have provided atomic-scale insights into receptor–ligand interactions6, while high-resolution structures of other members of the pentameric receptor superfamily provide touchstones for an emerging allosteric gating mechanism7. All available high-resolution structures are of homopentameric receptors. However, the vast majority of pentameric receptors (called Cys-loop receptors in eukaryotes) present physiologically are heteromeric. Here we present the X-ray crystallographic structure of the human α4β2 nicotinic receptor, the most abundant nicotinic subtype in the brain. This structure provides insights into the architectural principles governing ligand recognition, heteromer assembly, ion permeation and desensitization in this prototypical receptor class.

Abstract The α7 nicotinic acetylcholine receptor is a pentameric ligand-gated ion channel that modulates neuronal excitability, largely by allowing Ca 2+ permeation. Agonist binding promotes transition from a resting state to an activated state, and then rapidly to a desensitized state. Recently, cryo-EM structures of the human α7 receptor in nanodiscs were reported in multiple conformations. These were selectively stabilized by inhibitory, activating, or potentiating compounds. However, the functional annotation of these structures, and their differential interactions with unresolved lipids and ligands, remain incomplete. Here, we characterized their ion permeation, membrane interactions, and ligand binding using computational electrophysiology, free-energy calculations, and coarse-grained molecular dynamics. In contrast to non-conductive structures in apparent resting and desensitized states, the structure determined in the presence of the potentiator PNU-120596 was consistent with an activated state permeable to Ca 2+ . Transition to this state was associated with compression and rearrangement of the membrane, particularly in the vicinity of the peripheral MX helix. An intersubunit transmembrane site was implicated in selective binding of either PNU-120596 in the activated state, or cholesterol in the desensitized state. This substantiates functional assignment of all three lipid-embedded α7-receptor structures with ion permeation simulations. It also proposes testable models of their state-dependent interactions with lipophilic ligands, including a mechanism for allosteric modulation at the transmembrane subunit interface.

Abstract Methaqualone, a quinazolinone marketed commercially as Quaalude, is a central nervous system depressant that was used clinically as a sedative-hypnotic, then became a notorious recreational drug in the 1960s-80s. Due to its high abuse potential, medical use of methaqualone was eventually prohibited, yet it persists as a globally abused substance. Methaqualone principally targets GABA A receptors, which are the major inhibitory neurotransmitter-gated ion channels in the brain. The restricted status and limited accessibility of methaqualone have contributed to its pharmacology being understudied. Here, we use cryo-EM to localize the GABA A receptor binding sites of methaqualone and its more potent derivative, PPTQ, to the same intersubunit transmembrane sites targeted by the general anesthetics propofol and etomidate. Both methaqualone and PPTQ insert more deeply into subunit interfaces than the previously-characterized modulators. Binding of quinazolinones to this site results in widening of the extracellular half of the ion-conducting pore, following a trend among positive allosteric modulators in destabilizing the hydrophobic activation gate in the pore as a mechanism for receptor potentiation. These insights shed light on the underexplored pharmacology of quinazolinones and further elucidate the molecular mechanisms of allosteric GABA A receptor modulation through transmembrane binding sites.