PTEN dysfunction, caused by loss of lipid phosphatase activity or deletion, promotes pathologies, cancer, benign tumors, and neurodevelopmental disorders (NDDs). Despite efforts, exactly how the mutations trigger distinct phenotypic outcomes, cancer or NDD, has been puzzling. It has also been unclear how to distinguish between mutations harbored by isoforms, are they cancer or NDDs-related. Here we address both. We demonstrate that PTEN mutations differentially allosterically bias P-loop dynamics and its connection to the catalytic site, affecting catalytic activity. NDD-related mutations are likely to sample conformations present in the wild-type, while sampled conformations sheltering cancer-related hotspots favor catalysis-prone conformations, suggesting that NDD mutations are weaker. Analysis of isoform expression data indicates that if the transcript has NDD-related mutations, alone or in combination with cancer hotspots, there is high prenatal expression. If no mutations within the measured days, low expression levels. Cancer mutations promote stronger signaling and cell proliferation; NDDs' are weaker, influencing brain cell differentiation. Further, exon 5 is impacted by NDD or non-NDD mutations, while exon 7 is exclusively impacted by NDD mutations. Our comprehensive conformational and genomic analysis helps discover how same allele mutations can foster different clinical manifestations and uncovers correlations of splicing isoform expression to life expectancy.

Abstract Ras proteins activate their effectors through physical interactions in response to the various extracellular stimuli at the plasma membrane. Oncogenic Ras forms dimer and nanoclusters at the plasma membrane, boosting the downstream MAPK signal. It was reported that K-Ras4B can dimerize through two major interfaces: (i) the effector lobe interface, mapped to Switch I and effector binding regions; (ii) the allosteric lobe interface involving α3 and α4 helices. Recent experiments showed that constitutively active, oncogenic mutant K-Ras4B G12D dimers are enriched in the plasma membrane. Here, we perform molecular dynamics simulations of K-Ras4B G12D homodimers aiming to quantify the two major interfaces in atomic level. To examine the effect of mutations on dimerization, two double mutations, K101D/R102E on the allosteric lobe and R41E/K42D on the effector lobe interfaces were added to the K-Ras4B G12D dimer simulations. We observed that the effector lobe K-Ras4B G12D dimer is stable, while the allosteric lobe dimer alters its helical interface during the simulations, presenting multiple conformations. The K101D/R102E mutations slightly weakens the allosteric lobe interface. However, the R41E/K42D mutations disrupt the effector lobe interface. Using the homo-oligomers prediction server, we obtained trimeric, tetrameric, and pentameric complexes with the allosteric lobe K-Ras4B G12D dimers. However, the allosteric lobe dimer with the K101D/R102E mutations is not capable of generating multiple higher order structures. Our detailed interface analysis may help to develop inhibitor design targeting functional Ras dimerization and high order oligomerization at the membrane signaling platform.

Decades ago, mitogen-promoted signaling duration and strength were observed to be sensed by the cell and to be critical for its decisions: to proliferate or differentiate. Landmark publications established the importance of mitogen signaling not only in the G 1 cell cycle phase but also through the S and the G 2 /M transition. Despite these early milestones, how mitogen signal duration and strength, short and strong or weaker and sustained, control cell fate has been largely unheeded. Here, we center on cardinal signaling-related questions, including (i) how fluctuating mitogenic signals are converted into cell proliferation-differentiation decisions and (ii) why extended duration of weak signaling is associated with differentiation, while bursts of strong and short induce proliferation but, if too strong and long, induce irreversible senescence. Our innovative broad outlook harnesses cell biology and protein conformational ensembles, helping us to define signaling strength, clarify cell cycle decisions, and thus cell fate.

Abstract Oncogenic mutations in the serine/threonine kinase B-Raf, particularly the V600E mutation, are frequent in cancer, making it a major drug target. Although much is known about B-Raf’s active and inactive states, questions remain about the mechanism by which the protein changes between these two states. Here, we utilize molecular dynamics to investigate both wild-type and V600E B-Raf to gain mechanistic insights into the impact of the Val to Glu mutation. The results show that the wild-type and mutant follow similar activation pathways involving an extension of the activation loop and an inward motion of the αC-helix. The V600E mutation, however, destabilizes the inactive state by disrupting hydrophobic interactions present in the wild-type structure while the active state is stabilized through the formation of a salt bridge between Glu600 and Lys507. Additionally, when the activation loop is extended, the αC-helix is able to move between an inward and outward orientation as long as the DFG motif adopts a specific orientation. In that orientation Phe595 rotates away from the αC-helix, allowing the formation of a salt bridge between Lys483 and Glu501. These mechanistic insights have implications for the development of new Raf inhibitors.

Dysregulation of cyclin-dependent kinases (CDKs) impacts cell proliferation, driving cancer. Here, we ask why the cyclin-D/CDK4 complex governs cell cycle progression through the longer G1 phase, whereas cyclin-E/CDK2 regulates the short G1/S phase transition. We consider the experimentally established high-level bursting of cyclin-E, and sustained duration of elevated cyclin-D expression in the cell, available experimental cellular and structural data, and comprehensive explicit solvent molecular dynamics simulations to provide the mechanistic foundation of the distinct activation scenarios of cyclin-D/CDK4 and cyclin-E/CDK2 in the G1 phase and G1/S transition of the cell cycle, respectively. These lead us to propose slower activation of cyclin-D/CDK4 and rapid activation of cyclin-E/CDK2. Importantly, we determine the mechanisms through which this occurs, offering innovative CDK4 drug design considerations. Our insightful mechanistic work addresses the compelling cell cycle regulation question and illuminates the distinct activation speeds in the G1 versus G1/S phases, which are crucial for cell function.

Abstract Neurodevelopmental disorders (NDDs) and cancer are connected, with immunity as their common factor. Their clinical presentations differ; however, individuals with NDDs are more likely to acquire cancer. Schizophrenia patients have ∼50% increased risk; autistic individuals also face an increased cancer likelihood. NDDs are associated with specific brain cell types at specific locations, emerging at certain developmental time windows during brain evolution. Their related mutations are germline; cancer mutations are sporadic, emerging during life. At the same time, NDDs and cancer share proteins, pathways, and mutations. Here we ask exactly which features they share, and how despite their commonality, they differ in outcomes. Our pioneering bioinformatics exploration of the mutations, reconstructed disease-specific networks, pathways, and transcriptome profiles of autism spectrum disorder (ASD) and cancers, points to elevated signal strength in pathways related to proliferation in cancer, and differentiation in ASD. Signaling strength, not the activating mutation, is the key factor in deciding cancer versus NDDs.

Abstract Rho-specific guanine dissociation inhibitors (RhoGDIs) play a crucial role in the regulation of Rho family GTPases. They act as negative regulators that prevent the activation of Rho GTPases by forming complexes with the inactive GDP-bound state of GTPase. Release of Rho GTPase from the RhoGDI-bound complex is necessary for Rho GTPase activation. Biochemical studies provide evidence of a “phosphorylation code”, where phosphorylation of some specific residues of RhoGDI selectively releases its GTPase partner (RhoA, Rac1, Cdc42 etc.). This work attempts to understand the molecular mechanism behind this phosphorylation code. Using several microseconds long atomistic molecular dynamics (MD) simulations of the wild-type and phosphorylated states of the RhoA–RhoGDI complex, we propose a molecular-interaction-based mechanistic model for the dissociation of the complex. Phosphorylation induces major structural changes, particularly in the positively charged polybasic region (PBR) of RhoA and the negatively charged N-terminal region of RhoGDI that contribute most to the binding affinity. MM-PBSA binding free energy calculations show a significant weakening of interaction on phosphorylation at the RhoA-specific site of RhoGDI. In contrast, phosphorylation at a Rac1-specific site leads to the strengthening of the interaction confirming the presence of a phosphorylation code. RhoA-specific phosphorylation leads to a reduction in the number of contacts between the PBR of RhoA and the N-terminal region of RhoGDI, which manifests reduction of the binding affinity. Using hydrogen bond occupancy analysis and energetic perturbation network, we propose a mechanistic model for the allosteric response, i.e., long range signal propagation from the site of phosphorylation to the PBR and buried geranylgeranyl group in the form of rearrangement and rewiring of hydrogen bonds and salt bridges. Our results highlight the crucial role of specific electrostatic interactions in manifestation of the phosphorylation code.

Summary Tumor suppressor PTEN, the second most highly mutated protein in cancer, dephosphorylates signaling lipid PIP 3 produced by PI3Ks. Excess PIP 3 promotes cell proliferation. The mechanism at the membrane of this pivotal phosphatase is unknown hindering drug discovery. Exploiting explicit solvent simulations, we tracked full-length PTEN trafficking from the cytosol to the membrane. We observed its interaction with membranes composed of zwitterionic phosphatidylcholine, anionic phosphatidylserine, and phosphoinositides, including signaling lipids PIP 2 and PIP 3 . We tracked it’s moving away from the zwitterionic and getting absorbed onto anionic membrane that harbors PIP 3 . We followed it localizing on microdomains enriched in signaling lipids, as PI3K does, and observed PIP 3 allosterically unfolding the N-terminal PIP 2 binding domain, positioning it favorably for the polybasic motif interaction with PIP 2 . Finally, we determined PTEN catalytic action at the membrane, all in line with experimental observations, deciphering the mechanisms of how PTEN anchors to the membrane and restrains cancer.

Cyclin-dependent kinases (CDKs) are activated upon cyclin-binding to enable progression through the cell cycle. Dominant CDKs and cyclins in mammalian cells include CDK1, CDK2, CDK4, and CDK6 and corresponding cyclins A, B, D, and E. While only certain, "typical" cyclin/CDK complexes are primarily responsible for cell cycle progression, "atypical" cyclin/CDK complexes can form and sometimes perform the same roles as typical complexes. We asked what structural features of cyclins and CDKs favor the formation of typical complexes, a vital yet not fully explored question. We use computational docking and biophysical analyses to exhaustively evaluate the structure and stability of all CDK and cyclin complexes listed above. We find that binding of the complexes is generally stronger for typical than for atypical complexes, especially when the CDK is in an active conformation. Typical complexes have denser clusters, indicating that they have more defined cyclin-binding sites than atypical complexes. Our results help explain three notable features of cyclin/CDK function in the cell cycle: (i) why CDK4 and cyclin-D have exceptionally high specificity for each other; (ii) why both cyclin-A and cyclin-B strongly activate CDK1, whereas CDK2 is only strongly activated by cyclin-A; and (iii) why cyclin-E normally activates CDK2 but not CDK1. Overall, this work reveals the binding modalities of cyclin/CDK complexes, how the modalities lead to the preference for typical complexes versus atypical complexes, and how binding modalities differ between typical complexes. Our observations suggest targeting CDK catalytic actions through destabilizing their native differential cyclin interfaces.