PIEZO1 is a mechanosensitive channel that converts applied force into electrical signals. Partial molecular structures show that PIEZO1 is a bowl-shaped trimer with extended arms. Here we use cryo-electron microscopy to show that PIEZO1 adopts different degrees of curvature in lipid vesicles of different sizes. We also use high-speed atomic force microscopy to analyse the deformability of PIEZO1 under force in membranes on a mica surface, and show that PIEZO1 can be flattened reversibly into the membrane plane. By approximating the absolute force applied, we estimate a range of values for the mechanical spring constant of PIEZO1. Both methods of microscopy demonstrate that PIEZO1 can deform its shape towards a planar structure. This deformation could explain how lateral membrane tension can be converted into a conformation-dependent change in free energy to gate the PIEZO1 channel in response to mechanical perturbations. Cryo-electron microscopy and high-speed atomic force microscopy reveal that PIEZO1 can reversibly deform its shape towards a planar structure, which may explain how the PIEZO1 channel is gated in response to mechanical stimulation.

The cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) is a crucial ion channel whose loss of function leads to cystic fibrosis, whereas its hyperactivation leads to secretory diarrhea. Small molecules that improve CFTR folding (correctors) or function (potentiators) are clinically available. However, the only potentiator, ivacaftor, has suboptimal pharmacokinetics and inhibitors have yet to be clinically developed. Here, we combine molecular docking, electrophysiology, cryo-EM, and medicinal chemistry to identify CFTR modulators. We docked ∼155 million molecules into the potentiator site on CFTR, synthesized 53 test ligands, and used structure-based optimization to identify candidate modulators. This approach uncovered mid-nanomolar potentiators, as well as inhibitors, that bind to the same allosteric site. These molecules represent potential leads for the development of more effective drugs for cystic fibrosis and secretory diarrhea, demonstrating the feasibility of large-scale docking for ion channel drug discovery.

The cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) is a chloride channel that regulates transepithelial salt and fluid homeostasis. CFTR dysfunction leads to reduced chloride secretion into the mucosal lining of epithelial tissues, thereby causing the inherited disease cystic fibrosis. Although several structures of CFTR are available, our understanding of the ion-conduction pathway is incomplete. In particular, the route that connects the cytosolic vestibule with the extracellular space has not been clearly defined, and the structure of the open pore remains elusive. Furthermore, although many residues have been implicated in altering the selectivity of CFTR, the structure of the 9selectivity filter9 has yet to be determined. In this study, we identify a chloride-binding site at the extracellular ends of transmembrane helices 1, 6, and 8, where a dehydrated chloride is coordinated by residues G103, R334, F337, T338, and Y914. Alterations to this site, consistent with its function as a selectivity filter, affect ion selectivity, conductance, and open channel block. The selectivity filter is accessible from the cytosol through a large inner vestibule and opens to the extracellular solvent through a narrow portal. The identification of a chloride-binding site at the intra- and extracellular bridging point leads us to propose a complete conductance path that permits dehydrated chloride ions to traverse the lipid bilayer.

The cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) is an anion channel that regulates electrolyte and fluid balance in epithelial tissues. Whereas activation of CFTR is vital to treating cystic fibrosis, selective inhibition of CFTR is a potential therapeutic strategy for secretory diarrhea and autosomal dominant polycystic kidney disease (ADPKD). Although several CFTR inhibitors have been developed by high-throughput screening, their modes of action remain elusive. In this study, we determined the structure of CFTR in complex with the inhibitor CFTRinh-172 to 2.7 Å resolution by cryogenic electron microscopy (cryo-EM). We observe that CFTRinh-172 binds inside the pore near transmembrane helix 8 (TM8), a critical structural element that links ATP hydrolysis with channel gating. Binding of CFTRinh-172 stabilizes a conformation in which the chloride selectivity filter is collapsed and the pore is blocked from the extracellular side of the membrane. Single molecule fluorescence resonance energy transfer (smFRET) experiments indicate that CFTRinh-172 inhibits channel gating without compromising nucleotide-binding domain (NBD) dimerization. Together, these data show that CFTRinh-172 acts as both a pore blocker and a gating modulator, setting it apart from typical ion channel inhibitors. The dual functionality of CFTRinh-172 reconciles previous biophysical observations and provides a molecular basis for its activity.

The cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) is a crucial ion channel whose loss of function leads to cystic fibrosis, while its hyperactivation leads to secretory diarrhea. Small molecules that improve CFTR folding (correctors) or function (potentiators) are clinically available. However, the only potentiator, ivacaftor, has suboptimal pharmacokinetics and inhibitors have yet to be clinically developed. Here we combine molecular docking, electrophysiology, cryo-EM, and medicinal chemistry to identify novel CFTR modulators. We docked ~155 million molecules into the potentiator site on CFTR, synthesized 53 test ligands, and used structure-based optimization to identify candidate modulators. This approach uncovered novel mid-nanomolar potentiators as well as inhibitors that bind to the same allosteric site. These molecules represent potential leads for the development of more effective drugs for cystic fibrosis and secretory diarrhea, demonstrating the feasibility of large-scale docking for ion channel drug discovery.