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 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.

The X-ray crystal structure of the M3 muscarinic acetylcholine receptor bound to the bronchodilator drug tiotropium is reported; comparison of this structure with that of the M2 muscarinic acetylcholine receptor reveals key differences that could potentially be exploited to develop subtype-selective drugs. 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. Acetylcholine, the first neurotransmitter to be identified1, exerts many of its physiological actions via activation of a family of G-protein-coupled receptors (GPCRs) known as muscarinic acetylcholine receptors (mAChRs). Although the five mAChR subtypes (M1–M5) share a high degree of sequence homology, they show pronounced differences in G-protein coupling preference and the physiological responses they mediate2,3,4. Unfortunately, despite decades of effort, no therapeutic agents endowed with clear mAChR subtype selectivity have been developed to exploit these differences5,6. We describe here the structure of the Gq/11-coupled M3 mAChR (‘M3 receptor’, from rat) bound to the bronchodilator drug tiotropium and identify the binding mode for this clinically important drug. This structure, together with that of the Gi/o-coupled M2 receptor7, offers possibilities for the design of mAChR subtype-selective ligands. Importantly, the M3 receptor structure allows a structural comparison between two members of a mammalian GPCR subfamily displaying different G-protein coupling selectivities. Furthermore, molecular dynamics simulations suggest that tiotropium binds transiently to an allosteric site en route to the binding pocket of both receptors. These simulations offer a structural view of an allosteric binding mode for an orthosteric GPCR ligand and provide additional opportunities for the design of ligands with different affinities or binding kinetics for different mAChR subtypes. Our findings not only offer insights into the structure and function of one of the most important GPCR families, but may also facilitate the design of improved therapeutics targeting these critical receptors.

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.

G-protein-coupled receptors (GPCRs) are seven-transmembrane proteins that mediate most cellular responses to hormones and neurotransmitters. They are the largest group of therapeutic targets for a broad spectrum of diseases. Recent crystal structures of GPCRs have revealed structural conservation extending from the orthosteric ligand-binding site in the transmembrane core to the cytoplasmic G-protein-coupling domains. In contrast, the extracellular surface (ECS) of GPCRs is remarkably diverse and is therefore an ideal target for the discovery of subtype-selective drugs. However, little is known about the functional role of the ECS in receptor activation, or about conformational coupling of this surface to the native ligand-binding pocket. Here we use NMR spectroscopy to investigate ligand-specific conformational changes around a central structural feature in the ECS of the beta(2) adrenergic receptor: a salt bridge linking extracellular loops 2 and 3. Small-molecule drugs that bind within the transmembrane core and exhibit different efficacies towards G-protein activation (agonist, neutral antagonist and inverse agonist) also stabilize distinct conformations of the ECS. We thereby demonstrate conformational coupling between the ECS and the orthosteric binding site, showing that drugs targeting this diverse surface could function as allosteric modulators with high subtype selectivity. Moreover, these studies provide a new insight into the dynamic behaviour of GPCRs not addressable by static, inactive-state crystal structures.

Erythropoietin (EPO) plays an important role in the brain's response to neuronal injury. Systemic administration of recombinant human EPO (rhEPO) protects neurons from injury after middle cerebral artery occlusion, traumatic brain injury, neuroinflammation, and excitotoxicity. Protection is in part mediated by antiapoptotic mechanisms. We conducted parallel studies of rhEPO in a model of transient global retinal ischemia induced by raising intraocular pressure, which is a clinically relevant model for retinal diseases. We observed abundant expression of EPO receptor (EPO-R) throughout the ischemic retina. Neutralization of endogenous EPO with soluble EPO-R exacerbated ischemic injury, which supports a crucial role for an endogenous EPO/EPO-R system in the survival and recovery of neurons after an ischemic insult. Systemic administration of rhEPO before or immediately after retinal ischemia not only reduced histopathological damage but also promoted functional recovery as assessed by electroretinography. Exogenous EPO also significantly diminished terminal deoxynucleotidyltransferase-mediated dUTP end labeling labeling of neurons in the ischemic retina, implying an antiapoptotic mechanism of action. These results further establish EPO as a neuroprotective agent in acute neuronal ischemic injury.

The authors report a 2.6 Å resolution crystal structure of the human CB1 cannabinoid receptor trapped in the inactive conformation and bound to the antagonist taranabant. The human cannabinoid G-protein-coupled receptors (GPCRs) CB1 and CB2 mediate the responses to endocannabinoids and the plant cannabinoid Δ9-tetrahydrocannabinol (THC). They are important drug discovery targets because of the therapeutic potential of receptor modulators for controlling disorders such as pain, epilepsy and obesity. Daniel Rosenbaum and colleagues determine a crystal structure of the human CB1 receptor bound to the inhibitor taranabant. The extracellular surface of the receptor is distinct from other lipid-activated GPCRs and forms a critical part of the ligand-binding pocket. Docking studies demonstrate how this pocket might accommodate tetrahydrocannabinol. The structure should aid drug discovery efforts for novel cannabinoid system modulators as potential therapeutics. The human cannabinoid G-protein-coupled receptors (GPCRs) CB1 and CB2 mediate the functional responses to the endocannabinoids anandamide and 2-arachidonyl glycerol (2-AG) and to the widely consumed plant phytocannabinoid Δ9-tetrahydrocannabinol (THC)1. The cannabinoid receptors have been the targets of intensive drug discovery efforts, because modulation of these receptors has therapeutic potential to control pain2, epilepsy3, obesity4, and other disorders. Although much progress in understanding the biophysical properties of GPCRs has recently been made, investigations of the molecular mechanisms of the cannabinoids and their receptors have lacked high-resolution structural data. Here we report the use of GPCR engineering and lipidic cubic phase crystallization to determine the structure of the human CB1 receptor bound to the inhibitor taranabant at 2.6-Å resolution. We found that the extracellular surface of CB1, including the highly conserved membrane-proximal N-terminal region, is distinct from those of other lipid-activated GPCRs, forming a critical part of the ligand-binding pocket. Docking studies further demonstrate how this same pocket may accommodate the cannabinoid agonist THC. Our CB1 structure provides an atomic framework for studying cannabinoid receptor function and will aid the design and optimization of therapeutic modulators of the endocannabinoid system.

Abstract The sleep disorder Narcolepsy, a hypocretin deficiency disorder thought to be due to degeneration of hypothalamic hypocretin/orexin neurons, is currently treated symptomatically. We evaluated the efficacy of two small molecule hypocretin/orexin receptor-2 (HCRTR2) agonists in narcoleptic male orexin/tTA; TetO-DTA mice. TAK- 925 (1-10 mg/kg, s.c.) and ARN-776 (1-10 mg/kg, i.p.) were injected 15 min before dark onset in a repeated measures design. EEG, EMG, subcutaneous temperature (T sc ) and activity were recorded by telemetry; recordings for the first 6-h of the dark period were scored for sleep/wake and cataplexy. At all doses tested, TAK-925 and ARN-776 caused continuous wakefulness and eliminated sleep for the first hour. Both TAK-925 and ARN-776 caused dose-related delays in NREM sleep onset. All doses of TAK-925 and all but the lowest dose of ARN-776 eliminated cataplexy during the first hour after treatment; the anti-cataplectic effect of TAK-925 persisted into the 2 nd hour for the highest dose. TAK-925 and ARN-776 also reduced the cumulative amount of cataplexy during the 6-h post-dosing period. The acute increase in wakefulness produced by both HCRTR2 agonists was characterized by increased spectral power in the gamma EEG band. Although neither compound provoked a NREM sleep rebound, both compounds affected NREM EEG during the 2 nd hour post-dosing. TAK-925 and ARN-776 also increased gross motor activity, running wheel activity and T sc , suggesting that the wake-promoting and sleep-suppressing activities of these compounds could be a consequence of hyperactivity. Nonetheless, the anti-cataplectic activity of TAK-925 and ARN-776 is encouraging for the development of HcrtR2 agonists.

The rapid evolution of variants of SARS-CoV-2 highlights the need for new therapies to prevent disease spread. SARS-CoV-2, like SARS-CoV-1, uses the human cell surface protein angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) as its native receptor. Here, we design and characterize a mutant ACE2 that enables rapid affinity purification of a dimeric protein by altering the active site to prevent autoproteolytic digestion of a C-terminal His10 epitope tag. In cultured cells, mutant ACE2 competitively inhibits lentiviral vectors pseudotyped with spike from multiple SARS-CoV-2 variants, as well as infectious SARS-CoV-2. Moreover, the protein can be nebulized and retains virus-binding properties. We developed a system for delivery of aerosolized ACE2 to K18-hACE2 mice and demonstrate protection by our modified ACE2 when delivered as a prophylactic agent. These results show proof-of-concept for an aerosolized delivery method to evaluate anti-SARS-CoV-2 agents in vivo and suggest a new tool in the ongoing fight against SARS-CoV-2 and other ACE2-dependent viruses.