ABSTRACT CXC chemokine receptor 4 (CXCR4) and its chemokine ligand CXCL12 are crucial to embryonic development, bone marrow retention of hematopoietic progenitor cells, cancer metastasis, angiogenesis and HIV-1 infection. Yet the structural basis for CXCR4 recognition of full-length CXCL12 remains unknown despite available structures of CXCR4 in complex with small molecule antagonists and a viral chemokine. Here we present a cryo-EM structure of monomeric CXCL12-CXCR4 in complex with heterotrimeric Gi proteins at a resolution of 2.65 Å. The CXCL12-CXCR4 interaction at their N termini is stabilized by a polar interaction between the PC motif (C28 NT in CXCR4) and CXC motif (the unique P10 in CXCL12). The N terminal 8 amino acids in CXCL12 insert into the transmembrane binding pocket (chemokine recognition site 2, CRS2) of CXCR4 with S4 defining an upward turn of V3, P2 and K1. Polar interactions involving C186 ECL2 and D187 ECL2 , along with hydrogen bonding with E288 7,39 and D262 6,58 stabilize the N terminus of CXCL12 in CRS2. Hydrophobic interactions between side chains aligning CRS2 and P2, L5 and S6 of CXCL12 further strengthen its binding to the receptor. CXCL12 inserts deep into the binding pocket, and the 3.2Å distance measured between V3 and the ‘toggle switch’ W 6.48 for G protein activation is among the shortest of all chemokine-receptor pairs. Our findings provide structural insights into the recognition mechanism of CXCR4 for its chemokine ligand CXCL12.

CXCR4 binding of its endogenous agonist CXCL12 leads to diverse functions, including bone marrow retention of hematopoietic progenitors and cancer metastasis. However, the structure of the CXCL12-bound CXCR4 remains unresolved despite available structures of CXCR4 in complex with antagonists. Here, we present the cryoelectron microscopy (cryo-EM) structure of the CXCL12-CXCR4-Gi complex at an overall resolution of 2.65 Å. CXCL12 forms a 1:1 stoichiometry complex with CXCR4, following the two-site model. The first 8 amino acids of mature CXCL12 are crucial for CXCR4 activation by forming polar interactions with minor sub-pocket residues in the transmembrane binding pocket. The 3.2-Å distance between V3 of CXCL12 and the "toggle switch" W6.48 marks the deepest insertion among all chemokine-receptor pairs, leading to conformational changes of CXCR4 for G protein activation. These results, combined with functional assays and computational analysis, provide the structural basis for CXCR4 activation by CXCL12.

ABSTRACT Chemerin is an adipokine with chemotactic activity to a subset of leukocytes. Chemerin mainly acts through its C-terminal nonapeptide (YFPGQFAFS, C9) that bind to three G protein-coupled receptors including chemokine-like receptor 1 (CMKLR1), G-protein coupled receptor 1 (GPR1) and C-C chemokine receptor-like 2 (CCRL2). We examined C9 signaling through GPR1 and found this receptor capable of Gi signaling but very weak β-arrestin signaling. Here we report high-resolution cryo-EM structures of GPR1-Gi complexes bound to full-length chemerin and to C9, respectively. Unlike C9 that inserts directly into a transmembrane binding pocket, full-length chemerin uses its N-terminal globular core for extensive interaction with the N terminus of GPR1. Within the binding pocket, the C terminal loop containing the nonapeptide takes the same “S-shape” pose as synthetic C9 nonapeptide. These findings explain why the nonapeptide is a full agonist of GPR1, and demonstrate that chemerin uses a “two-site” model for interaction with GPR1. An analysis of the GPR1-Gi protein interface found high similarities to the CMKLR1-Gi complex, as confirmed by site-directed mutagenesis with functional verifications. Our structural analysis demonstrates shared features with chemokines in that chemerin acts as a “reverse chemokine” with switched functions of its N and C termini in the interaction with GPR1.

Whole-mitochondrial genome methylation profiles were obtained for mitochondrial DNA (mtDNA) from blood samples of one sporadic Parkinson's Disease (PD) patient and one healthy control donor, via Whole-Genome Next-Generation Bisulfite Sequencing. Methylation frequency was determined at 836 CpG sites out of the 1146 CpG sites in mtDNA (73% of the total). The control mtDNA methylation profile exhibited a two-peak frequency distribution, with most CpG sites showing either no methylation, or a methylation above 7%. Instead, the sporadic PD mtDNA methylation profile exhibited a generic bell-shaped frequency distribution. The data is suggestive of the bell-shaped methylation profile arising via a degradation towards randomness of the healthy sample two-peak methylation pattern. Overall, this finding provides a possible explanation for the repeated observation of PD-phenotypic characteristics in cybrid cell lines where solely the mtDNA originates from a PD patient. We discuss the finding in terms of the sporadic PD Hematopoietic Origin Theory (HOT).