Optical Control of Adenosine A2A Receptor Using Istradefylline Photosensitivity.

In recent years, there has been growing interest in the potential therapeutic use of inhibitors of adenosine A2A receptors (A2AR) for the treatment of neurodegenerative diseases and cancer. Nevertheless, the widespread expression of A2AR throughout the body emphasizes the importance of temporally and spatially selective ligands. Photopharmacology is an emerging strategy that utilizes photosensitive ligands to attain high spatiotemporal precision and regulate the function of biomolecules using light. In this study, we combined photochemistry and cellular and in vivo photopharmacology to investigate the light sensitivity of the FDA-approved antagonist istradefylline and its potential use as an A2AR photopharmacological tool. Our findings reveal that istradefylline exhibits rapid trans-to-cis isomerization under near-UV light, and prolonged exposure results in the formation of photocycloaddition products. We demonstrate that exposure to UV light triggers a time-dependent decrease in the antagonistic activity of istradefylline in A2AR-expressing cells and enables real-time optical control of A2AR signaling in living cells and zebrafish. Together, these data demonstrate that istradefylline is a photoinactivatable A2AR antagonist and that this property can be utilized to perform photopharmacological experiments in living cells and animals.

Agonists and allosteric modulators promote signaling from different metabotropic glutamate receptor 5 conformations.

Metabotropic glutamate receptors (mGluRs) are dimeric G-protein-coupled receptors activated by the main excitatory neurotransmitter, L-glutamate. mGluR activation by agonists binding in the venus flytrap domain is regulated by positive (PAM) or negative (NAM) allosteric modulators binding to the 7-transmembrane domain (7TM). We report the cryo-electron microscopy structures of fully inactive and intermediate-active conformations of mGlu5 receptor bound to an antagonist and a NAM or an agonist and a PAM, respectively, as well as the crystal structure of the 7TM bound to a photoswitchable NAM. The agonist induces a large movement between the subunits, bringing the 7TMs together and stabilizing a 7TM conformation structurally similar to the inactive state. Using functional approaches, we demonstrate that the PAM stabilizes a 7TM active conformation independent of the conformational changes induced by agonists, representing an alternative mode of mGlu activation. These findings provide a structural basis for different mGluR activation modes.

[Recent advances in the structural biology of the class C G protein-coupled receptors: The metabotropic Glutamate receptor 5]. / Les avancées récentes dans le domaine de la biologie structurale des récepteurs couplés aux protéines G de la classe C : Le récepteur métabotropique du glutamate 5.

Class C GPCRs, that include metabotropic glutamate receptors (mGlu), taste receptors, GABAB receptor and Calcium-sensing receptor, are unusual in terms of their molecular architecture and allosteric regulation. They all form obligatory dimers, dimerization being fundamental for their function. More specifically, the mGlu are activated by the main excitatory neurotransmitter, L-glutamate. mGlu activation by glutamate binding in the venus flytrap domain (VFT) triggers conformational changes that are transmitted, through the Cystein-Rich Domain (CRD), to the conserved fold of 7 transmembrane helices (7TM), that couples to intracellular G protein. mGlu activity can also be allosterically modulated by positive (PAM) or negative (NAM) allosteric modulators binding to the 7TM. Recent progress in cryo-electron microscopy (cryoEM) has allowed unprecedented advances in deciphering the structural and molecular basis of their activation mechanism. The agonist induces a large movement between the subunits, bringing the 7TMs together and stabilizing a 7TM conformation structurally similar to the inactive state. The diversity of inactive conformations for the class C was unexpected but allows PAM stabilising a 7TM active conformation independent of the conformational changes induced by agonists, representing an alternative mode of mGlu activation. Here we present and discuss recent structural characterisation of mGlu receptors, highlighting findings that make the class C of GPCR unique. Understanding the structural basis of mGlu dimer signaling represents a landmark achievement and paves the way for structural investigation of GPCR dimer signaling in general. Structural information will open new avenues for structure-based drug design.

Title: Les avancées récentes dans le domaine de la biologie structurale des récepteurs couplés aux protéines G de la classe C : Le récepteur métabotropique du glutamate 5. Abstract: La classe C des Récepteurs Couplés aux Protéines G (RCPG) comprend plusieurs membres aux fonctions physiologiques importantes comme par exemple les récepteurs des principaux neurotransmetteurs excitateurs (glutamate) et inhibiteurs (GABA) du système nerveux, les récepteurs des goûts umami et sucré et les récepteurs sensibles au calcium. Ces récepteurs possèdent une architecture moléculaire particulière, caractérisée par la présence d'un large domaine extracellulaire (ECD) relié à un domaine membranaire composé de 7 hélices transmembranaires (7TM). De plus, ils forment tous des dimères obligatoires, la dimérisation étant fondamentale pour leur fonction. La fixation d'agoniste dans l'ECD induit l'activation du récepteur. L'activité des agonistes peut être modulée de manière allostérique par des modulateurs positifs (PAM) ou négatifs (NAM), se liant au domaine 7TM. Il est important de comprendre comment les changements de conformation induits par la liaison des agonistes au sein du domaine extracellulaire sont transmis au domaine transmembranaire mais aussi de comprendre les bases structurales et moléculaires de la régulation allostérique des récepteurs de la classe C. Les progrès récents de la microscopie électronique en conditions cryogéniques (cryoEM) ont permis des avancées sans précédent dans le décryptage des bases structurelles et moléculaires des mécanismes d'activation des RCPG de classe C, et notamment du récepteur métabotropique du glutamate de type 5 (mGlu5). Le glutamate entraîne une fermeture et un changement d'orientation des domaines extracellulaires qui induit un mouvement important entre les sous-unités, rapprochant les 7TM et stabilisant la conformation active du récepteur. La diversité de conformations inactives pour les récepteurs de la classe C était inattendue mais propice à une activation possible par des PAM. Ces derniers stabilisent une conformation active des 7TM, indépendante des changements conformationnels induits par les agonistes, représentant un mode alternatif d'activation des récepteurs mGlu. Nous présentons et discutons ici les caractérisations structurales récentes des récepteurs de classe C, en soulignant les résultats qui rendent cette famille de récepteurs unique. La compréhension de la base structurelle de la signalisation des dimères de mGlu représente une réalisation historique et ouvre la voie à l'analyse de la signalisation des dimères de RCPG en général. Ces analyses structurales devraient également ouvrir de nouvelles voies pour la conception de médicaments ciblant cette famille de récepteurs qui sont aussi des cibles thérapeutiques.