The Omicron variant of SARS-CoV-2 has rapidly become the dominant infective strain and the focus efforts against the ongoing COVID-19 pandemic. Here we report an extensive set of structures of the Omicron spike trimer by its own or in complex with ACE2 and an anti-Omicron antibody. These structures reveal that most Omicron mutations are located on the surface of the spike protein, which confer stronger ACE2 binding by nearly 10 folds but become inactive epitopes resistant to many therapeutic antibodies. Importantly, both RBD and the closed conformation of the Omicron spike trimer are thermodynamically unstable, with the melting temperature of the Omicron RBD decreased by as much as 7°C, making the spiker trimer prone to random open conformations. An unusual RBD-RBD interaction in the ACE2-spike complex unique to Omicron is observed to support the open conformation and ACE2 binding, serving the basis for the higher infectivity of Omicron. A broad-spectrum therapeutic antibody JMB2002, which has completed Phase 1 clinical trial, is found to interact with the same two RBDs to inhibit ACE2 binding, in a mode that is distinguished from all previous antibodies, thus providing the structural basis for the potent inhibition of Omicron by this antibody. Together with biochemical data, our structures provide crucial insights into higher infectivity, antibody evasion and inhibition of Omicron.

ABSTRACT The Omicron BA.2 variant has become a dominant infective strain worldwide. Receptor binding studies reveal that the Omicron BA.2 spike trimer have 11-fold and 2-fold higher potency to human ACE2 than the spike trimer from the wildtype (WT) and Omicron BA.1 strains. The structure of the BA.2 spike trimer complexed with human ACE2 reveals that all three receptor-binding domains (RBDs) in the spike trimer are in open conformation, ready for ACE2 binding, thus providing a basis for the increased infectivity of the BA.2 strain. JMB2002, a therapeutic antibody that was shown to have efficient inhibition of Omicron BA.1, also shows potent neutralization activities against Omicron BA.2. In addition, both BA.1 and BA.2 spike trimers are able to bind to mouse ACE2 with high potency. In contrast, the WT spike trimer binds well to cat ACE2 but not to mouse ACE2. The structures of both BA.1 and BA.2 spike trimer bound to mouse ACE2 reveal the basis for their high affinity interactions. Together, these results suggest a possible evolution pathway for Omicron BA.1 and BA.2 variants from human-cat-mouse-human circle, which could have important implications in establishing an effective strategy in combating viral infection.

Abstract Phosphorylation of G protein-coupled receptors (GPCR) by GPCR kinases (GRKs) desensitizes G protein signaling and promotes arrestin signaling, which is also modulated by biased ligands 1–6 . Molecular assembly of GRKs to GPCRs and the basis of GRK-mediated biased signaling remain largely unknown due to the weak GPCR-GRK interactions. Here we report the complex structure of neurotensin receptor 1 (NTSR1) bound to GRK2, Gαq, and an arrestin-biased ligand, SBI-553 7 , at a resolution of 2.92 Å. The high-quality density map reveals the clear arrangement of the intact GRK2 with the receptor, with the N-terminal helix of GRK2 docking into the open cytoplasmic pocket formed by the outward movement of the receptor TM6, analogous of the binding of G protein to the receptor. Strikingly, the arrestin-biased ligand is found at the interface between GRK2 and NTSR1 to enhance GRK2 binding. The binding mode of the biased ligand is compatible with arrestin binding but is clashed with the binding of a G protein, thus provide an unambiguous mechanism for its arrestin-biased signaling capability. Together, our structure provides a solid model for understanding the details of GPCR-GRK interactions and biased signaling.

Abstract Endothelin system comprises three endogenous 21-amino-acid peptide ligands endothelin-1, -2, and -3 (ET-1/2/3), and two G protein-coupled receptor (GPCR) subtypes—endothelin receptor A (ET A R) and B (ET B R). Since ET-1, the first endothelin, was identified in 1988 as one of the most potent endothelial cell-derived vasoconstrictor peptides with long-lasting actions, the endothelin system has attracted extensive attention due to its critical role in vasoregulation and close relevance in cardiovascular-related diseases. Here we present three cryo-electron microscopy structures of ET A R and ET B R bound to ET-1 and ET B R bound to the selective peptide IRL1620. These structures reveal a highly conserved recognition mode of ET-1 and characterize the ligand selectivity by ETRs. They also present several conformation features of the active ETRs, thus revealing a specific activation mechanism. Together, these findings deepen our understanding of endothelin system regulation and offer an opportunity to design selective drugs targeting specific ETR subtypes.

Thyroid stimulating hormone (TSH), through activation of its G protein-coupled receptor TSHR, controls the synthesis of thyroid hormone (TH), an essential metabolic hormone. Aberrant signaling of TSHR by autoantibodies causes Graves’ disease and hypothyroidism that affect millions of patients worldwide. Here we report the active structures of TSHR with TSH and an activating autoantibody M22, both bound to an allosteric agonist ML-109, as well as an inactive TSHR structure with inhibitory antibody K1-70. Both TSH and M22 push the extracellular domain (ECD) of TSHR into the upright active conformation. In contrast, K1-70 blocks TSH binding and is incapable of pushing the ECD to the upright conformation. Comparisons of the active and inactive structures of TSHR with those of the luteinizing hormone–choriogonadotropin receptor (LHCGR) reveal a universal activation mechanism of glycoprotein hormone receptors, in which a conserved 10-residue fragment (P10) from the hinge C-terminal loop mediated interactions from the receptor ECD to its transmembrane domain. One surprisingly feature is that there are over 15 cholesterols surrounding TSHR, supporting its preferential location in lipid rafts. These structures also highlight a common mechanism for TSH and autoantibody M22 to activate TSHR, thus providing the molecular basis for Graves’ disease.

Abstract The neuropeptide 26RFa, a member of the RF-amide peptide family, activates the pyroglutamylated RF-amide peptide receptor (QRFPR), a class A GPCR. The 26RFa/QRFPR system plays critical roles in energy homeostasis, making QRFPR an attractive drug target for treating obesity, diabetes, and eating disorders. However, the lack of structural information has hindered our understanding of the peptide recognition and regulatory mechanism of QRFPR, impeding drug design efforts. In this study, we determined the cryo-EM structure of the G q -coupled QRFPR bound to 26RFa. The structure reveals a unique assembly mode of the extracellular region of the receptor and the N-terminus of the peptide, and elucidates the recognition mechanism of the C-terminal heptapeptide of 26RFa by the transmembrane binding pocket of QRFPR. The study also clarifies the similarities and distinctions in the binding pattern of the RF-amide moiety in five RF-amide peptides and the RY-amide segment in neuropeptide Y. These findings deepen our understanding of the RF-amide peptide recognition, aiding in the rational design of drugs targeting QRFPR and other RF-amide peptide receptors.

Gout, a common and painful disease, stems from hyperuricemia, where elevated blood uric acid levels lead to urate crystal formation in joints and kidneys. The human urate transporter 1 (hURAT1) plays a critical role in urate homeostasis by facilitating urate reabsorption in the renal proximal tubule, making it a key target for gout therapy. Pharmacological inhibition of hURAT1 with drugs such as dotinurad, benzbromarone, lesinurad, and verinurad promotes uric acid excretion and alleviates gout symptoms. Here we present cryo-electron microscopy structures of native hURAT1 bound with these anti-gout drugs in the inward-open state, and with uric acid in inward-open, outward-open, and occluded states. Complemented by mutagenesis and cell-based assays, these structures reveal the mechanisms of uric acid reabsorption and hURAT1 inhibition. Our findings elucidate the molecular basis of uric acid transport and anti-gout medication action, and provide a structural framework for the rational design of next-generation therapies for hyperuricemia and gout.

Melanin-concentrating hormone (MCH) is a cyclic neuropeptide that regulates food intake, energy balance, and other physiological functions by stimulating MCHR1 and MCHR2 receptors, both of which are class A G protein-coupled receptors. MCHR1 can couple with multiple G-proteins, including Gi/o, Gq/11, and Gs, while MCHR2 only couple to Gq/11. Here we present cryo-electron microscopy structures of MCH-activated MCHR1 with Gi and MCH-activated MCHR2 with Gq complexes, at the global resolutions of 3.01 Å and 2.40 Å, respectively. These structures reveal that MCH adopts a consistent cysteine-mediated hairpin loop configuration in both receptors. A central arginine from the LGRVY core motif between the two cysteines of MCH penetrates deeply into the transmembrane pocket, triggering receptor activation. Integrated with mutational and functional insights, our findings elucidate the molecular underpinnings of ligand recognition and MCH receptor activation, offering a structured foundation for targeted drug design.

The complement receptors C3aR and C5aR, whose signaling are selectively activated by anaphylatoxins C3a and C5a, are important regulators of both innate and adaptive immune responses. Dysregulations of C3aR and C5aR signaling lead to multiple inflammatory disorders, including sepsis, asthma, and acute respiratory distress syndrome (ARDS). The mechanism underlying endogenous anaphylatoxin recognition and activation of C3aR and C5aR remains elusive. Here we reported the structures of C3a-bound C3aR and C5a-bound C5aR1 as well as an apo C3aR structure. These structures, combined with mutagenesis analysis, reveal a conserved recognition pattern of anaphylatoxins to the complement receptors that is different from chemokine receptors, unique pocket topologies of C3aR and C5aR1 that mediate ligand selectivity, and a common mechanism of receptor activation. These results provide crucial insights into the molecular understandings of C3aR and C5aR1 signaling and structural templates for rational drug design for treating inflammation disorders.

Abstract Class B G protein-coupled receptors (GPCRs), including glucagon-like receptor 1 (GLP-1R) and parathyroid hormone receptor 1 (PTH1R), are peptide hormone receptors and important drug targets. Injectable peptide drugs targeting class B GPCRs have been developed for the treatment of many diseases, including type 2 diabetes, obesity, and osteoporosis, but orally available small molecule drugs are hotly pursued in the field, especially small molecule agonists of GLP-1R and PTH1R. Here we report the first high-resolution structure of the human PTH1R in complex with the stimulatory G protein (G s ) and a small molecule agonist, PCO371, which reveals an unexpected binding mode of PCO371 at the interface of PTH1R and G s . The binding site of PCO371 is totally different from all binding sites previously reported for small molecules or peptide ligands in GPCRs. Residues that make up the PCO371 binding pocket are mostly conserved in class B GPCRs and a single mutation in PTH type 2 receptor (PTH2R) and two residue mutations in GLP-1R convert these receptors to respond to PCO371 activation. Functional assays reveal that PCO371 is a G-protein biased agonist that is defective in promoting PTH1R-mediated arrestin signaling. Together, these results uncover a distinct binding site for designing small molecule agonists for PTH1R and possible other members of class B GPCRs and define a receptor conformation that is only specific for G protein activation but not arrestin signaling. These insights should facilitate the design of distinct types of class B GPCR small molecule agonists for various therapeutic indications.