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  • ASSOCIATE EDITOR: DIANNE M. PEREZ

    The Significance of G Protein-Coupled ReceptorCrystallography for Drug Discovery

    John A. Salon, David T. Lodowski, and Krzysztof Palczewski

    Department of Molecular Structure, Amgen Incorporated, Thousand Oaks, California (J.A.S.); and Department of Pharmacology, Schoolof Medicine, Case Western Reserve University, Cleveland, Ohio (D.T.L., K.P.)

    Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 902I. Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 903

    II. Current challenges and opportunities in G protein-coupled receptor drug discovery. . . . . . . . . . . . 903A. Overview of the current G protein-coupled receptor drug discovery process . . . . . . . . . . . . . . . . 903

    1. Therapeutic relevance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9032. Molecular properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9043. G Protein-coupled receptor drug compendium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9044. The drug discovery process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 904

    B. G protein-coupled receptor molecular biology challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9071. Expansion of G protein-coupled receptor drug targets into class B, C, (D and E)

    families . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9072. Special cases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 908

    a. Olfactory receptors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 908b. Orphan receptors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 909c. Receptor isoforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 909

    3. In vitro reconstitution of monomeric receptors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 909C. Increasingly complex pharmacology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 909

    1. Allostery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9092. Receptor oligomerization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9103. Ligand-biased (ligand-selective) signaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9124. Constitutive activity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 912

    D. Assay development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9121. The genomic tool box. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9122. Screening efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9133. Screening mode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9134. Integrative assays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9135. New generation biochemical and biophysical assays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 913

    E. Limitations of current compound libraries. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9141. Chemical space versus biological space. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9142. Future expansion of chemical screening libraries. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 914

    III. History of G protein-coupled receptor structural clarification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 914A. Functional genomics reveals the G protein-coupled receptor superfamily . . . . . . . . . . . . . . . . . . 914B. Electron microscopy of rhodopsin provides a conceptual prototype of G protein-coupled

    receptor structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 915C. Comparative modeling suggests structure-function experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 916D. Structure-function campaigns identify hotspots: common G protein-coupled receptor

    functional moieties, trigger mechanisms, and long-awaited high-resolution three-dimensional structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 917

    Address correspondence to: Dr. Krzysztof Palczewski, Department of Pharmacology, School of Medicine, Case Western Reserve University,10900 Euclid Ave, Cleveland, Ohio 441064965. E-mail: kxp65@case.edu

    All authors contributed equally to this work.This article is available online at http://pharmrev.aspetjournals.org.doi:10.1124/pr.110.003350.

    0031-6997/11/6304-901937$25.00PHARMACOLOGICAL REVIEWS Vol. 63, No. 4Copyright 2011 by The American Society for Pharmacology and Experimental Therapeutics 3350/3708070Pharmacol Rev 63:901937, 2011 Printed in U.S.A.

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    by guest on May 30, 2018

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    nloaded from

  • 1. The D(E)RY motif within G protein-coupled receptors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9182. The NPxxYx(5,6)F motif within G protein-coupled receptors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9193. Conservation of water and water-binding sites within the transmembrane domain . . . . . . 9194. Ligand-binding domains of G protein-coupled receptors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 919

    IV. Advances in G protein-coupled receptor structural determination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 921A. G protein-coupled receptor construct design and expression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 921B. Solubilization and purification of G protein-coupled receptor constructs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 921C. Predicting G protein-coupled receptor construct crystallizability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 922

    1. Assays. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9222. Stabilization of G protein-coupled receptors with membrane mimetics during

    crystallization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9223. Expanding soluble domains of G protein-coupled receptors using nanobodies and

    antibody Fv fragments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 923D. Recent G protein-coupled receptor successes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 923

    1. Rhodopsin and related structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9232. Reconciling activated structures of (rhod)opsin with biochemistry and biophysics . . . . . . . 9233. Adrenergic receptor structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9254. A2a-adenosine receptor structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9265. C-x-c chemokine receptor type 4 structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9266. Dopamine D3 receptor structure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9267. Structures of G protein-coupled receptor extracellular domains. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 926

    E. The need for more G protein-coupled receptor structural work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 927V. Ramifications for G protein-coupled receptor drug discovery. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 927

    A. Brief history of de novo approaches. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9271. Examples of success. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9272. Strengths and weaknesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 928

    B. Future directions for integral membrane proteins in drug discovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9281. The current industry climate for G protein-coupled receptor drug discovery. . . . . . . . . . . . . 9282. Requirements for the optimal use of structural

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