G protein-coupled receptors (GPCRs) are one of the most important protein families and function as signal transducers located in the cell membrane. Currently, about one third of the marketed drugs target a GPCR, reflecting its importance in therapy and disease. Thus, it is not surprising that GPCRs and their signalling are of major interest for researchers. In this thesis, in silico methods were used to investigate the modulation of GPCR signalling pathways. The modulation of GPCR signalling can take place on different levels, e.g. at the level of GPCR ligands or in the downstream signalling pathways. Interactions of the receptor with small molecules can result either in its inactivation or activation. The latter can lead to the intracellular recruitment of various effector proteins to the receptor which can then induce different signalling pathways inside the cell. Certain ligands can induce a stronger recruitment of one effector protein compared to other effector proteins. On a structural basis it is still unclear why and how these ligands induce such bias. Furthermore, there are many different proteins involved in the downstream signalling of GPCRs. One protein family are the Regulators for G protein Signalling (RGS) which are involved in the deactivation of the G protein and, hence, GPCR signalling. Although the members of this protein family are known to be involved in a variety of processes and diseases –many of which are also related to GPCR signalling– they are still not well understood. GPCR signalling needs to be comprehended better on all of these levels to be able to modulate them rationally. In this thesis, two GPCRs –the β2-adrenergic receptor (β2AR) and the Cannabinoid receptor 2 (CB2)– and one member of the RGS protein family –the RGS7– were targeted with in silico techniques in five studies to investigate their signalling and its modulation. Two of the studies described in this thesis targeted the β2AR. More than 30 structures of this class A GPCR in different activation states are available, allowing for more exhaustive structural investigations. This fact was used and three different structures of the β2AR in different activation states were targeted with a molecular library using a comparative docking approach. The aim was to predict novel agonists for this receptor based on the assumption that these should rather result from docking calculations against active conformations of the receptor. The selected molecules were then characterised pharmacologically, showing that this approach was very successful. Furthermore, a retrospective analysis of the docking approach showed up the optimal way to increase the chances to discover novel agonists for this receptor or other class A GPCRs. The aim of the second study targeting the β2AR was to predict antagonists with novel structural scaffolds for this receptor using docking calculations. The project was conducted in collaboration with InterAx Biotech AG who also characterised the selected ligands pharmacologically. An antagonist for the β2AR with a previously undescribed structural scaffold was successfully predicted in this study and a structure-activity relationship investigation showed the general affinity of this structural scaffold for this receptor. The second studied GPCR was the CB2. In one study, molecular docking was applied to find structurally novel ligands for the CB2. For that, the docking setups were first optimised using a set known reference ligands. The prediction of water positions in the orthosteric binding pocket was shown to be a useful tool to achieve optimised docking results. These docking setups were then targeted by a large molecular library docking screen and several re-ranking and filtering steps were used to achieve better enrichment, similar to one of the approaches targeting the β2AR. The selected molecules were then tested by collaboration partners from the Veprintsev lab at the University of Nottingham and preliminary results suggest that this screen was successful. In the second study, Molecular Dynamics simulations were applied to the CB2 to investigate the structural basis of ligands inducing a certain recruitment bias. The results showed that it might be difficult to track recruitment bias with this method, however, indicators for receptor activation and deactivation could be observed. In the last study, the RGS7-Gβ5 complex was targeted using docking calculations. The overall goal is to find small molecules that can bind to this complex, thereby modulating its conformation and possibly its function. However, no binding sites of small molecules on this complex are known. Therefore, the main part of the study consisted of the prediction and evaluation of possible binding sites. Promising cavities were identified and will be targeted in docking screens to investigate whether they can serve the proposed function. This project was conducted in collaboration with the Martemyanov lab at the Scripps Research Institute in Florida. Overall, the described studies were able to (1) show up ideas on how to best employ in silico tools to obtain the desired results, (2) find potential small molecule binding sites for a quite unexplored but therapeutically interesting target, (3) give insights on dynamic processes and structural rearrangements of receptor-ligand interactions leading to (biased) signalling and (4) successfully predict several novel ligands with different properties for two different GPCR targets with hit rates of up to 37%., G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) sind eine der wichtigsten Protein Familien und wirken als Signaltransduktoren in der Zellmembran. Etwa ein Drittel der heutzutage vermarkteten Wirkstoffe adressiert GPCRs, was ihre Bedeutung für Therapie und Krankheit verdeutlicht. Es ist daher nicht überraschend, dass GPCRs und ihre Signalwege von großem Interesse in der Forschung sind. In dieser Arbeit wurden in silico Methoden angewendet, um die Modulation der GPCR-Signalwege zu untersuchen. Die Modulation der GPCR-Signalwege kann auf verschiedenen Niveaus ansetzen, z.B. bei GPCR Liganden oder bei den weiterführenden Signalwegen. Interaktionen des Rezeptors mit kleinen Molekülen können zu dessen Inaktivierung oder Aktivierung führen. Letzteres kann zur intrazellulären Rekrutierung verschiedener Effektorproteine an den Rezeptor führen, was verschiedene Signalwege in der Zelle auslösen kann. Bestimmte Liganden können dabei eine stärkere Rekrutierung eines Effektorproteins im Vergleich zu anderen bewirken. Auf der strukturellen Ebene ist noch unklar, wie und warum diese Liganden einen solchen Bias bewirken. Überdies sind noch eine Vielzahl weiterer Proteine in die weiterführenden Signalwege von GPCRs verwickelt. Eine dieser Proteinfamilien sind die Regulators for G protein Signalling (RGS), die eine Deaktivierung von G-Proteinen und damit von GPCR-Signalwegen bewirken. Auch wenn bekannt ist, dass Mitglieder dieser Proteinfamilie eine Rolle bei vielen Prozessen und Krankheiten spielen –von denen viele mit GPCR-Signalwegen zusammenhängen–, sind sie noch nicht vollständig verstanden. GPCR-Signalwege müssen auf allen Niveaus besser verstanden werden, um in der Lage zu sein, sie rational zu beeinflussen. In dieser Arbeit wurden zwei GPCRs –der β2-adrenerge Rezeptor (β2AR) und der Cannabinoid Rezeptor 2 (CB2)– sowie ein Mitglied der RGS-Proteinfamilie –RGS7– in fünf verschiedenen Studien mit in silico Methoden addressiert, um ihre Signalwege und deren Modulation zu untersuchen. Zwei der Studien zielten auf den β2AR. Mehr als 30 Strukturen dieses class A-Rezeptors in verschiedenen Aktivierungszuständen sind verfügbar, was umfangreiche strukturelle Untersuchungen ermöglicht. Basierend auf dieser Tatsache wurden drei verschiedene Strukturen des β2AR in unterschiedlichen Aktivierungszuständen unter Anwendung eines komparativen Docking-Ansatzes mit einer Molekülbibliothek addressiert. Ziel dabei war die Vorhersage neuartiger Agonisten dieses Rezeptors, basierend auf der Annahme, dass diese eher aus Docking-Berechnungen gegen eine aktive Konformation des Rezeptors resultieren sollten. Die ausgewählten Moleküle wurden pharmakologisch charakterisiert, was den Erfolg dieser Herangehensweise zeigte. Außerdem zeigte eine retrospektive Analyse dieses Docking-Ansatzes optimale Möglichkeiten auf, um die Chancen der Entdeckung eines neuartigen Agonisten für diesen oder auch andere class A-Rezeptoren zu erhöhen. Das Ziel der zweiten Studie zum β2AR war es, mittels Docking-Berechnungen Antagonisten dieses Rezeptors mit neuartigen Strukturen vorherzusagen. Dieses Projekt wurde in Kollaboration mit InterAx Biotech AG bearbeitet, die auch die pharmakologische Charakterisierung der ausgewählten Moleküle durchführten. Dabei konnte erfolgreich ein Antagonist des β2AR mit bisher nicht beschriebenem Strukturmotiv vorhergesagt werden und eine Untersuchung der Struktur-Wirkungs-Beziehung zeigte die generelle Affinität von Molekülen mit diesem Strukturmotiv für diesen Rezeptor. Der zweite untersuchte GPCR war der CB2. In einer Studie wurde molekulares Docking angewendet, um strukturell neuartige Liganden für den CB2 zu finden. Dafür wurde zunächst mit Hilfe von bekannten Referenzliganden die Docking-Struktur optimiert. Die Vorhersage von Wasserpositionen in der orthosterischen Bindetasche stellte sich als nützliches Werkzeug zur Optimierung der Docking-Ergebnisse heraus. Die optimierten Docking-Strukturen wurden dann in einem Docking-Screen einer Molekülbibliothek addressiert und verschiedene re-ranking- und Filter-Schritte angewendet, um das enrichment zu verbessern, ähnlich zu der Herangehensweise an den β2AR. Die ausgewählten Moleküle wurden dann von Kollaborationspartnern der Veprintsev-Gruppe der University of Nottingham getestet und die vorläufigen Ergebnisse legen den Erfolg des Screens nahe. In der zweiten Studie wurden Molekulardynamische Simulationen auf den CB2 angewendet, um die strukturelle Basis von Liganden, die einen Rekrutierungs-Bias hervorrufen, zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass es schwierig sein könnte, einen Rekrutierungs-Bias mit dieser Methode nachzuverfolgen, allerdings konnten Anzeichen für Rezeptor-Aktivierung und -Deaktivierung beobachtet werden. In der letzten Studie wurde der RGS7-Gβ5-Komplex durch Docking-Berechnungen addressiert. Das Ziel dabei ist, kleine Moleküle zu finden, die an den Komplex binden und dadurch seine Konformation und möglicherweise Funktion modulieren können. Allerdings sind keine Bindungsstellen für kleine Moleküle an dem Komplex bekannt. Deshalb bestand die Hauptaufgabe der Studie in der Vorhersage und Evaluation möglicher Bindungsstellen. Dabei konnten vielversprechende Taschen identifiziert werden und werden dann in Docking-Screens addressiert und bezüglich ihrer Eignung untersucht. Dieses Projekt wurde in Zusammenarbeit mit der Martemyanov-Gruppe vom Scripps Research Institute in Florida bearbeitet. Die beschriebenen Studien konnten (1) Ideen zur besseren Anwendung von in silico Methoden zum Erreichen der gewünschten Ergebnisse aufzeigen, (2) potentielle Bindestellen kleiner Moleküle an einem wenig untersuchten, aber therapeutisch interessanten, Zielprotein finden, (3) Einsichten in dynamische Prozesse und strukturelle Umordnungen von Rezeptor-Ligand-Interaktionen, die zu einem Signal-Bias führen, liefern und (4) mit Hit-Raten bis zu 37% erfolgreich neuartige Liganden mit unterschiedlichen Eigenschaften für zwei verschiedene Ziel-GPCRs vorhersagen.