The X-ray crystal structure of the M2 muscarinic acetylcholine receptor, which is essential for the physiological control of cardiovascular function, is reported. The muscarinic acetylcholine receptors (mAChRs) constitute a family of G-protein-coupled receptors. These membrane proteins are targets for treatment of a broad range of conditions, including Alzheimer's disease, schizophrenia and chronic obstructive pulmonary disease. The five mAChR subtypes (M1–M5) share a high degree of sequence homology, but show marked differences in G-protein-coupling preference and physiological function. This pair of papers from Brian Kobilka's group presents the structures of two of the five subtypes. Haga et al. report the X-ray crystal structure of the M2 receptor, which is essential for the physiological control of cardiovascular function; Kruse et al. determine the structure of the M3 receptor, active in the bronchial airways and elsewhere. Comparison of the two structures reveals key differences that could potentially be exploited to develop subtype-selective drugs. The parasympathetic branch of the autonomic nervous system regulates the activity of multiple organ systems. Muscarinic receptors are G-protein-coupled receptors that mediate the response to acetylcholine released from parasympathetic nerves1,2,3,4,5. Their role in the unconscious regulation of organ and central nervous system function makes them potential therapeutic targets for a broad spectrum of diseases. The M2 muscarinic acetylcholine receptor (M2 receptor) is essential for the physiological control of cardiovascular function through activation of G-protein-coupled inwardly rectifying potassium channels, and is of particular interest because of its extensive pharmacological characterization with both orthosteric and allosteric ligands. Here we report the structure of the antagonist-bound human M2 receptor, the first human acetylcholine receptor to be characterized structurally, to our knowledge. The antagonist 3-quinuclidinyl-benzilate binds in the middle of a long aqueous channel extending approximately two-thirds through the membrane. The orthosteric binding pocket is formed by amino acids that are identical in all five muscarinic receptor subtypes, and shares structural homology with other functionally unrelated acetylcholine binding proteins from different species. A layer of tyrosine residues forms an aromatic cap restricting dissociation of the bound ligand. A binding site for allosteric ligands has been mapped to residues at the entrance to the binding pocket near this aromatic cap. The structure of the M2 receptor provides insights into the challenges of developing subtype-selective ligands for muscarinic receptors and their propensity for allosteric regulation.

Two papers by Brian Kobilka and colleagues describe the X-ray crystal structure of the human β2 adrenergic receptor (β2AR) bound to various agonists. β2AR is a member of the G protein coupled receptor (GPCR) family of membrane-spanning receptors that sense molecules outside the cell and activate internal signalling pathways. With a ubiquitous role in human physiology, GPCRs are prime targets for drug discovery. A third paper by Christopher Tate and his team describes crystal structures of a similar GPCR, the turkey β1-adrenergic receptor (β1AR), bound to full and partial agonists. Together, these new structures reveal the subtle structural changes that accompany agonist binding, showing how binding events inside and outside the cell membrane stabilize the receptor's active state. Agonist binding to β1AR is shown to induce a contraction of the catecholamine-binding pocket relative to the antagonist-bound receptor, and molecular-dynamics simulations of the β2AR agonist complex suggest that the agonist-bound active state spontaneously relaxes to an inactive-like state in the absence of a G protein. The X-ray crystal structure of the human β2 adrenergic receptor, a G-protein-coupled receptor (GPCR), covalently bound to a small-molecule agonist is solved. Comparison of this structure with structures of this GPCR in an inactive state and in an antibody-stabilized active state reveals how binding events at both the extracellular and intracellular surfaces stabilize the active conformation of the receptor. Molecular dynamics simulations suggest that the agonist-bound active state spontaneously relaxes to an inactive-like state in the absence of a G protein. G-protein-coupled receptors (GPCRs) are eukaryotic integral membrane proteins that modulate biological function by initiating cellular signalling in response to chemically diverse agonists. Despite recent progress in the structural biology of GPCRs1, the molecular basis for agonist binding and allosteric modulation of these proteins is poorly understood. Structural knowledge of agonist-bound states is essential for deciphering the mechanism of receptor activation, and for structure-guided design and optimization of ligands. However, the crystallization of agonist-bound GPCRs has been hampered by modest affinities and rapid off-rates of available agonists. Using the inactive structure of the human β2 adrenergic receptor (β2AR) as a guide, we designed a β2AR agonist that can be covalently tethered to a specific site on the receptor through a disulphide bond. The covalent β2AR-agonist complex forms efficiently, and is capable of activating a heterotrimeric G protein. We crystallized a covalent agonist-bound β2AR–T4L fusion protein in lipid bilayers through the use of the lipidic mesophase method2, and determined its structure at 3.5 Å resolution. A comparison to the inactive structure and an antibody-stabilized active structure (companion paper3) shows how binding events at both the extracellular and intracellular surfaces are required to stabilize an active conformation of the receptor. The structures are in agreement with long-timescale (up to 30 μs) molecular dynamics simulations showing that an agonist-bound active conformation spontaneously relaxes to an inactive-like conformation in the absence of a G protein or stabilizing antibody.

Protease-activated receptor 1 (PAR1) is the prototypical member of a family of G-protein-coupled receptors that mediate cellular responses to thrombin and related proteases. Thrombin irreversibly activates PAR1 by cleaving the amino-terminal exodomain of the receptor, which exposes a tethered peptide ligand that binds the heptahelical bundle of the receptor to affect G-protein activation. Here we report the 2.2-Å-resolution crystal structure of human PAR1 bound to vorapaxar, a PAR1 antagonist. The structure reveals an unusual mode of drug binding that explains how a small molecule binds virtually irreversibly to inhibit receptor activation by the tethered ligand of PAR1. In contrast to deep, solvent-exposed binding pockets observed in other peptide-activated G-protein-coupled receptors, the vorapaxar-binding pocket is superficial but has little surface exposed to the aqueous solvent. Protease-activated receptors are important targets for drug development. The structure reported here will aid the development of improved PAR1 antagonists and the discovery of antagonists to other members of this receptor family. The X-ray crystal structure of the human G-protein-coupled receptor protease-activated receptor 1 (PAR1) bound to the antagonist vorapaxar is solved, revealing an unusual method of drug binding that should facilitate the development of improved PAR1-selective antagonists. The X-ray crystal structure of the human protease-activated receptor 1 (PAR1) bound to vorapaxar, a PAR1 antagonist, has been determined at 2.2 Å resolution. PAR1, also known as the thrombin receptor, is a G protein-coupled receptor that mediates cellular responses to the coagulation protease thrombin and related proteases. Vorapaxar was recently shown to prevent myocardial infarction in at-risk patients, and knowledge of the PAR structure will be relevant to the design of PAR1 antagonists with better drug properties.

Nanobodies that neutralize Monoclonal antibodies that bind to the spike protein of severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) show therapeutic promise but must be produced in mammalian cells and need to be delivered intravenously. By contrast, single-domain antibodies called nanobodies can be produced in bacteria or yeast, and their stability may enable aerosol delivery. Two papers now report nanobodies that bind tightly to spike and efficiently neutralize SARS-CoV-2 in cells. Schoof et al. screened a yeast surface display of synthetic nanobodies and Xiang et al. screened anti-spike nanobodies produced by a llama. Both groups identified highly potent nanobodies that lock the spike protein in an inactive conformation. Multivalent constructs of selected nanobodies achieved even more potent neutralization. Science , this issue p. 1473 , p. 1479

Abstract Dopamine is an essential neurotransmitter, which functions are mediated by five G protein-coupled receptors, dopamine D1 to D5 receptors (D1R-D5R) in mammals. Among them, D1R is the most abundantly expressed dopamine receptor in the CNS and is the central receptor mediating excitatory dopamine signaling in multiple dopaminergic pathways. Dysregulation of D1R signaling has been directly linked to Parkinson’s disease (PD), schizophrenia, and drug abuse. Due to its fundamental functions in human diseases, D1R has long been the subject of intensive drug development effort toward the treatment of neuropsychiatric diseases. Here, we report the structures of D1R-Gs complex bound to endogenous agonist dopamine and synthetic agonist SKF81297, both with positive allosteric modulator LY3154207. These structures reveal the basis of dopamine recognition, the binding and potential allosteric regulation of DRD1 PAM LY3154207, and provide structural templates for design of subtype-selective D1R ligand for drug discovery targeting DRD1 for treating various CNS diseases.

The X-C motif chemokine receptor XCR1, which selectively binds to the chemokine XCL1, is highly expressed in conventional dendritic cells subtype 1 (cDC1s) and crucial for their activation. Modulating XCR1 signaling in cDC1s could offer novel opportunities in cancer immunotherapy and vaccine development by enhancing the antigen presentation function of cDC1s. To investigate the molecular mechanism of XCL-induced XCR1 signaling, we determined a high-resolution structure of the human XCR1 and G i complex with an engineered form of XCL1, XCL1 CC3, by cryoelectron microscopy. Through mutagenesis and structural analysis, we elucidated the molecular details for the binding of the N-terminal segment of XCL1 CC3, which is vital for activating XCR1. The unique arrangement within the XCL1 CC3 binding site confers specificity for XCL1 in XCR1. We propose an activation mechanism for XCR1 involving structural alterations of key residues at the bottom of the XCL1 binding pocket. These detailed insights into XCL1 CC3–XCR1 interaction and XCR1 activation pave the way for developing novel XCR1-targeted therapeutics.

Free fatty acid receptors 1-4 (FFA1-4) are class A G protein-coupled receptors (GPCRs). FFA1-3 share substantial sequence similarity whereas FFA4 is unrelated. Despite this FFA1 and FFA4 are activated by the same range of long chain fatty acids (LCFAs) whilst FFA2 and FFA3 are instead activated by short chain fatty acids (SCFAs) generated by the intestinal microbiota. Each of FFA1, 2 and 4 are promising targets for novel drug development in metabolic and inflammatory conditions. To gain insights into the basis of ligand interactions with, and molecular mechanisms underlying activation of, FFAs by LCFAs and SCFAs, we determined the active structures of FFA1 and FFA4 bound to the polyunsaturated LCFA docosahexaenoic acid (DHA), FFA4 bound to the synthetic agonist TUG-891, as well as SCFA butyrate-bound FFA2, each complexed with an engineered heterotrimeric Gq protein (miniGq), by cryo-electron microscopy. Together with computational simulations and mutagenesis studies, we elucidated the similarities and differences in the binding modes of fatty acid ligands with varying chain lengths to their respective GPCRs. Our findings unveil distinct mechanisms of receptor activation and G protein coupling. We anticipate that these outcomes will facilitate structure-based drug development and underpin future research to understand allosteric modulation and biased signaling of this group of GPCRs.

Early stage hepatocellular carcinoma (HCC) presents a formidable challenge in clinical settings due to its asymptomatic progression and the limitations of current imaging techniques in detecting micro-HCC lesions. Addressing this critical issue, we introduce a novel ultrathin gadolinium-oxide (Gd-oxide) nanosheet-based platform with heightened sensitivity for high-field MRI and as a therapeutic agent for HCC. Synthesized via a digestive ripening process, these Gd-oxide nanosheets exhibit an exceptional acid-responsive profile. The integration of the ultrathin Gd-oxide with an acid-responsive polymer creates an ultrasensitive high-field MRI probe, enabling the visualization of submillimeter-sized tumors with superior sensitivity. Our research underscores the ultrasensitive probe's efficacy in the treatment of orthotopic HCC. Notably, the ultrasensitive probe functions dually as a companion diagnostic tool, facilitating simultaneous imaging and therapy with real-time treatment monitoring capabilities. In conclusion, this study showcases an innovative companion diagnostic tool that holds promise for the early detection and effective treatment of micro-HCC.