Heterotrimeric guanine nucleotide–binding protein (G protein)–coupled receptors constitute the largest family of eukaryotic signal transduction proteins that communicate across the membrane. We report the crystal structure of a human β 2 -adrenergic receptor–T4 lysozyme fusion protein bound to the partial inverse agonist carazolol at 2.4 angstrom resolution. The structure provides a high-resolution view of a human G protein–coupled receptor bound to a diffusible ligand. Ligand-binding site accessibility is enabled by the second extracellular loop, which is held out of the binding cavity by a pair of closely spaced disulfide bridges and a short helical segment within the loop. Cholesterol, a necessary component for crystallization, mediates an intriguing parallel association of receptor molecules in the crystal lattice. Although the location of carazolol in the β 2 -adrenergic receptor is very similar to that of retinal in rhodopsin, structural differences in the ligand-binding site and other regions highlight the challenges in using rhodopsin as a template model for this large receptor family.

The adenosine class of heterotrimeric guanine nucleotide-binding protein (G protein)-coupled receptors (GPCRs) mediates the important role of extracellular adenosine in many physiological processes and is antagonized by caffeine. We have determined the crystal structure of the human A2A adenosine receptor, in complex with a high-affinity subtype-selective antagonist, ZM241385, to 2.6 angstrom resolution. Four disulfide bridges in the extracellular domain, combined with a subtle repacking of the transmembrane helices relative to the adrenergic and rhodopsin receptor structures, define a pocket distinct from that of other structurally determined GPCRs. The arrangement allows for the binding of the antagonist in an extended conformation, perpendicular to the membrane plane. The binding site highlights an integral role for the extracellular loops, together with the helical core, in ligand recognition by this class of GPCRs and suggests a role for ZM241385 in restricting the movement of a tryptophan residue important in the activation mechanism of the class A receptors.

The β 2 -adrenergic receptor (β 2 AR) is a well-studied prototype for heterotrimeric guanine nucleotide–binding protein (G protein)–coupled receptors (GPCRs) that respond to diffusible hormones and neurotransmitters. To overcome the structural flexibility of the β 2 AR and to facilitate its crystallization, we engineered a β 2 AR fusion protein in which T4 lysozyme (T4L) replaces most of the third intracellular loop of the GPCR (“β 2 AR-T4L”) and showed that this protein retains near-native pharmacologic properties. Analysis of adrenergic receptor ligand-binding mutants within the context of the reported high-resolution structure of β 2 AR-T4L provides insights into inverse-agonist binding and the structural changes required to accommodate catecholamine agonists. Amino acids known to regulate receptor function are linked through packing interactions and a network of hydrogen bonds, suggesting a conformational pathway from the ligand-binding pocket to regions that interact with G proteins.

Tweaking Dopamine Reception Dopamine modulates many cognitive and emotional functions of the human brain by activating G protein–coupled receptors. Antipsychotic drugs that block two of the receptor subtypes are used to treat schizophrenia but have multiple side effects. Chien et al. (p. 1091 ; see the Research Article by Wu et al. ) resolved the crystal structure of one receptor in complex with a small-molecule inhibitor at 3.15 angstrom resolution. Homology modeling with other receptor subtypes might be a promising route to reveal potential structural differences that can be exploited in the design of selective therapeutic inhibitors having fewer side effects.

The role of cholesterol in eukaryotic membrane protein function has been attributed primarily to an influence on membrane fluidity and curvature. We present the 2.8 Å resolution crystal structure of a thermally stabilized human β2-adrenergic receptor bound to cholesterol and the partial inverse agonist timolol. The receptors pack as monomers in an antiparallel association with two distinct cholesterol molecules bound per receptor, but not in the packing interface, thereby indicating a structurally relevant cholesterol-binding site between helices I, II, III, and IV. Thermal stability analysis using isothermal denaturation confirms that a cholesterol analog significantly enhances the stability of the receptor. A consensus motif is defined that predicts cholesterol binding for 44% of human class A receptors, suggesting that specific sterol binding is important to the structure and stability of other G protein-coupled receptors, and that this site may provide a target for therapeutic discovery.

Pharmacological responses of G protein-coupled receptors (GPCRs) can be fine-tuned by allosteric modulators. Structural studies of such effects have been limited due to the medium resolution of GPCR structures. We reengineered the human A(2A) adenosine receptor by replacing its third intracellular loop with apocytochrome b(562)RIL and solved the structure at 1.8 angstrom resolution. The high-resolution structure allowed us to identify 57 ordered water molecules inside the receptor comprising three major clusters. The central cluster harbors a putative sodium ion bound to the highly conserved aspartate residue Asp(2.50). Additionally, two cholesterols stabilize the conformation of helix VI, and one of 23 ordered lipids intercalates inside the ligand-binding pocket. These high-resolution details shed light on the potential role of structured water molecules, sodium ions, and lipids/cholesterol in GPCR stabilization and function.

Opioid receptors mediate the actions of endogenous and exogenous opioids on many physiological processes, including the regulation of pain, respiratory drive, mood, and—in the case of κ-opioid receptor (κ-OR)—dysphoria and psychotomimesis. Here we report the crystal structure of the human κ-OR in complex with the selective antagonist JDTic, arranged in parallel dimers, at 2.9 Å resolution. The structure reveals important features of the ligand-binding pocket that contribute to the high affinity and subtype selectivity of JDTic for the human κ-OR. Modelling of other important κ-OR-selective ligands, including the morphinan-derived antagonists norbinaltorphimine and 5′-guanidinonaltrindole, and the diterpene agonist salvinorin A analogue RB-64, reveals both common and distinct features for binding these diverse chemotypes. Analysis of site-directed mutagenesis and ligand structure–activity relationships confirms the interactions observed in the crystal structure, thereby providing a molecular explanation for κ-OR subtype selectivity, and essential insights for the design of compounds with new pharmacological properties targeting the human κ-OR. The crystal structure of the human κ-opioid receptor in complex with an antagonist, JDTic, is determined, with potential importance for the design of new therapeutic agents. Four papers in this issue of Nature present the long-awaited high-resolution crystal structures of the four known opioid receptors in ligand-bound conformations. These G-protein-coupled receptors are the targets of a broad range of drugs, including painkillers, antidepressants, anti-anxiety agents and anti-addiction medications. Brian Kobilka’s group reports the crystal structure of the µ-opioid receptor bound to a morphinan antagonist and the δ-opioid receptor bound to naltrindole. Raymond Stevens’ group reports on the κ-opioid receptor bound to the selective antagonist JDTic, and the nociceptin/orphanin FQ receptor bound to a peptide mimetic. In an associated News and Views, Marta Filizola and Lakshmi Devi discuss the implications of these landmark papers for research on the mechanisms underlying receptor function and drug development.

Activation of G protein-coupled receptors upon agonist binding is a critical step in the signaling cascade for this family of cell surface proteins. We report the crystal structure of the A(2A) adenosine receptor (A(2A)AR) bound to an agonist UK-432097 at 2.7 angstrom resolution. Relative to inactive, antagonist-bound A(2A)AR, the agonist-bound structure displays an outward tilt and rotation of the cytoplasmic half of helix VI, a movement of helix V, and an axial shift of helix III, resembling the changes associated with the active-state opsin structure. Additionally, a seesaw movement of helix VII and a shift of extracellular loop 3 are likely specific to A(2A)AR and its ligand. The results define the molecule UK-432097 as a "conformationally selective agonist" capable of receptor stabilization in a specific active-state configuration.

The biogenic amine histamine is an important pharmacological mediator involved in pathophysiological processes such as allergies and inflammations. Histamine H1 receptor (H1R) antagonists are very effective drugs alleviating the symptoms of allergic reactions. Here we show the crystal structure of the H1R complex with doxepin, a first-generation H1R antagonist. Doxepin sits deep in the ligand-binding pocket and directly interacts with Trp 4286.48, a highly conserved key residue in G-protein-coupled-receptor activation. This well-conserved pocket with mostly hydrophobic nature contributes to the low selectivity of the first-generation compounds. The pocket is associated with an anion-binding region occupied by a phosphate ion. Docking of various second-generation H1R antagonists reveals that the unique carboxyl group present in this class of compounds interacts with Lys 1915.39 and/or Lys 179ECL2, both of which form part of the anion-binding region. This region is not conserved in other aminergic receptors, demonstrating how minor differences in receptors lead to pronounced selectivity differences with small molecules. Our study sheds light on the molecular basis of H1R antagonist specificity against H1R. The common antihistamines are antagonists of histamine H1 receptor (H1R), a G-protein-coupled receptor (GPCR) that is expressed in various tissues including airway, intestinal smooth muscle and brain. The X-ray crystal structure of human H1R in the presence of doxepin, a first-generation H1R antagonist, is now reported. It shows that the drug resides in a much deeper pocket than in other aminergic GPCR structures. Analysis of drug–protein interactions should facilitate the development of antihistamines that are more selective and less likely to cause side effects than those currently available.