The crystal structure of a soluble, catalytically active form of adenylyl cyclase in a complex with its stimulatory heterotrimeric G protein α subunit (G s α ) and forskolin was determined to a resolution of 2.3 angstroms. When P-site inhibitors were soaked into native crystals of the complex, the active site of adenylyl cyclase was located and structural elements important for substrate recognition and catalysis were identified. On the basis of these and other structures, a molecular mechanism is proposed for the activation of adenylyl cyclase by G s α .

Abstract

 RGS proteins are GTPase activators for heterotrimeric G proteins. We report here the 2.8 Å resolution crystal structure of the RGS protein RGS4 complexed with G_iα1–Mg²⁺–GDP–AlF₄⁻. Only the core domain of RGS4 is visible in the crystal. The core domain binds to the three switch regions of G_iα1, but does not contribute catalytic residues that directly interact with either GDP or AlF₄⁻. Therefore, RGS4 appears to catalyze rapid hydrolysis of GTP primarily by stabilizing the switch regions of G_iα1, although the conserved Asn-128 from RGS4 could also play a catalytic role by interacting with the hydrolytic water molecule or the side chain of Gln-204. The binding site for RGS4 on G_iα1 is also consistent with the activity of RGS proteins as antagonists of G_α effectors.

The phosphorylation of heptahelical receptors by heterotrimeric guanine nucleotide–binding protein (G protein)–coupled receptor kinases (GRKs) is a universal regulatory mechanism that leads to desensitization of G protein signaling and to the activation of alternative signaling pathways.We determined the crystallographic structure of bovine GRK2 in complex with G protein β 1 γ 2 subunits.Our results show how the three domains of GRK2–the RGS (regulator of G protein signaling) homology, protein kinase, and pleckstrin homology domains–integrate their respective activities and recruit the enzyme to the cell membrane in an orientation that not only facilitates receptor phosphorylation, but also allows for the simultaneous inhibition of signaling by Gα and Gβγ subunits.

Atypical chemokine receptor 3 (ACKR3) is an arrestin-biased receptor that regulates extracellular chemokine levels through scavenging. The scavenging action mediates the availability of the chemokine CXCL12 for the G protein-coupled receptor (GPCR) CXCR4 and requires phosphorylation of the ACKR3 C-terminus by GPCR kinases (GRKs). ACKR3 is phosphorylated by GRK2 and GRK5, but the mechanisms by which these kinases regulate the receptor are unresolved. Here we mapped the phosphorylation patterns and determined that GRK5 phosphorylation of ACKR3 dominates β-arrestin recruitment and chemokine scavenging over GRK2. Co-activation of CXCR4 significantly enhanced phosphorylation by GRK2 through the liberation of Gβγ. These results suggest that ACKR3 'senses' CXCR4 activation through a GRK2-dependent crosstalk mechanism. Surprisingly, we also found that despite the requirement for phosphorylation, and the fact that most ligands promote β-arrestin recruitment, β-arrestins are dispensable for ACKR3 internalization and scavenging, suggesting a yet to be determined function for these adapter proteins.

During Hedgehog (Hh) signal transduction in development and disease, the atypical G protein-coupled receptor (GPCR) SMOOTHENED (SMO) communicates with GLI transcription factors by binding the protein kinase A catalytic subunit (PKA-C) and physically blocking its enzymatic activity. Here, we show that GPCR kinase 2 (GRK2) orchestrates this process during endogenous mouse and zebrafish Hh pathway activation in the primary cilium. Upon SMO activation, GRK2 rapidly relocalizes from the ciliary base to the shaft, triggering SMO phosphorylation and PKA-C interaction. Reconstitution studies reveal that GRK2 phosphorylation enables active SMO to bind PKA-C directly. Lastly, the SMO-GRK2-PKA pathway underlies Hh signal transduction in a range of cellular and in vivo models. Thus, GRK2 phosphorylation of ciliary SMO and the ensuing PKA-C binding and inactivation are critical initiating events for the intracellular steps in Hh signaling. More broadly, our study suggests an expanded role for GRKs in enabling direct GPCR interactions with diverse intracellular effectors.

KRAS and EGFR are known essential mediators of pancreatic cancer development. In addition, KRAS and EGFR have both been shown to interact with and perturb the function of Argonaute 2 (AGO2), a key regulator of RNA-mediated gene silencing. Here, we employed a genetically engineered mouse model of pancreatic cancer to define the effects of conditional loss of AGO2 in KRAS G12D -driven pancreatic cancer. Genetic ablation of AGO2 does not interfere with development of the normal pancreas or KRAS G12D -driven early precursor pancreatic intraepithelial neoplasia (PanIN) lesions. Remarkably, however, AGO2 is required for progression from early to late PanIN lesions, development of pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC), and metastasis. AGO2 ablation permits PanIN initiation driven by the EGFR-RAS axis, but rather than progressing to PDAC, these lesions undergo profound oncogene-induced senescence (OIS). Loss of Trp53 (p53) in this model obviates the requirement of AGO2 for PDAC development. In mouse and human pancreatic tissues, increased expression of AGO2 and elevated co-localization with RAS at the plasma membrane is associated with PDAC progression. Furthermore, phosphorylation of AGO2 Y393 by EGFR disrupts the interaction of wild-type RAS with AGO2 at the membrane, but does not affect the interaction of mutant KRAS with AGO2. ARS-1620, a G12C-specific inhibitor, disrupts the KRAS G12C -AGO2 interaction specifically in pancreatic cancer cells harboring this mutant, demonstrating that the oncogenic KRAS-AGO2 interaction can be pharmacologically targeted. Taken together, our study supports a biphasic model of pancreatic cancer development: an AGO2 -independent early phase of PanIN formation reliant on EGFR-RAS signaling, and an AGO2 -dependent phase wherein the mutant KRAS-AGO2 interaction is critical to prevent OIS in PanINs and allow progression to PDAC.

ABSTRACT During Hedgehog (Hh) signal transduction in development and disease, the atypical G protein-coupled receptor (GPCR) SMOOTHENED (SMO) communicates with GLI transcription factors by binding the protein kinase A catalytic subunit (PKA-C) and physically blocking its enzymatic activity. Here we show that GPCR kinase 2 (GRK2) orchestrates this process during endogenous Hh pathway activation in the primary cilium. Upon SMO activation, GRK2 rapidly relocalizes from the ciliary base to the shaft, triggering SMO phosphorylation and PKA-C interaction. Reconstitution studies reveal that GRK2 phosphorylation enables active SMO to bind PKA-C directly. Lastly, the SMO-GRK2-PKA pathway underlies Hh signal transduction in a range of cellular and in vivo models. Thus, GRK2 phosphorylation of ciliary SMO, and the ensuing PKA-C binding and inactivation, are critical initiating events for the intracellular steps in Hh signaling. More broadly, our study suggests an expanded role for GRKs in enabling direct GPCR interactions with diverse intracellular effectors.

The nine different membrane-anchored adenylyl cyclase isoforms (AC1-9) in mammals are stimulated by the heterotrimeric G protein Gαs, but their response to Gβγ regulation is isoform-specific. For example, AC5 is conditionally activated by Gβγ. Here, we report cryo-EM structures of ligand-free AC5 in complex with Gβγ and of a dimeric form of AC5 that could be involved in its regulation. Gβγ binds to a coiled-coil domain that links the AC transmembrane region to its catalytic core as well as to a region (C1b) that is known to be a hub for isoform-specific regulation. We confirmed the Gβγ interaction with both purified proteins and cell-based assays. The interface with Gβγ involves AC5 residues that are subject to gain-of-function mutations in humans with familial dyskinesia, indicating that the observed interaction is important for motor function. A molecular mechanism wherein Gβγ either prevents dimerization of AC5 or allosterically modulates the coiled-coil domain, and hence the catalytic core, is proposed. Because our mechanistic understanding of how individual AC isoforms are uniquely regulated is limited, studies such as this may provide new avenues for isoform-specific drug development.

Abstract Insulin impairs β2-adrenergic receptor (β2AR) function through G protein-coupled receptor kinase 2 (GRK2) by phosphorylation but less is known about dephosphorylation mechanisms mediated by protein phosphatase 2A (PP2A). Pharmacologic or genetic inhibition of phosphoinositide 3-kinase γ (PI3Kγ) unexpectedly resulted in significant reduction of insulin-mediated β2AR phosphorylation. Interestingly, β2AR-associated phosphatase activity was inhibited by insulin but was reversed by knock-down of PI3Kγ showing negative regulation of PP2A by PI3Kγ. Co-immunoprecipitation and surface plasmon resonance studies using purified proteins showed that GRK2 and PI3Kγ form a complex and could be recruited to β2ARs as GRK2 interacts with insulin receptor substrate following insulin treatment. Consistently, β-blocker pretreatment did not reduce insulin-mediated β2AR phosphorylation indicating agonist- and Gβγ-independent non-canonical regulation of receptor function. Mechanistically, PI3Kγ inhibits PP2A activity at the βAR complex by phosphorylating an intracellular inhibitor of PP2A (I2PP2A). Knock-down or CRISPR ablation of endogenous I2PP2A unlocked PP2A inhibition mediating β2AR dephosphorylation showing an unappreciated acute regulation of PP2A in mediating insulin-β2AR cross-talk. Summary Insulin impairs β2-adrenergic receptor (β2AR) function through G protein-coupled receptor kinase 2 (GRK2). We show that insulin simultaneously inhibits protein phosphatase 2A (PP2A) sustaining β2AR functional impairment. Unexpectedly, releasing PP2A inhibition by PI3Kγ preserves β2AR function despite intact insulin-driven GRK2-mechanisms.

Abstract The conversion of PIP2 to PIP3 by phosphoinositide 3-kinase γ (PI3Kγ) is a critical step in neutrophil chemotaxis and is essential for metastasis in many types of cancer. PI3Kγ is activated via directed interaction with Gβγ heterodimers released from cell-surface G protein-coupled receptors (GPCRs) responding to extracellular signals. To resolve how Gβγ activates PI3Kγ, we determined cryo-EM reconstructions of PI3Kγ–Gβγ complexes in the presence of various substrates/analogs, revealing two distinct Gβγ binding sites, one on the p110γ helical domain and one on the C-terminal domain of the p101 subunit. Comparison of these complexes with structures of PI3Kγ alone demonstrates conformational changes in the kinase domain upon Gβγ binding similar to those induced by Ras·GTP. Assays of variants perturbing the two Gβγ binding sites and interdomain contacts that change upon Gβγ binding suggest that Gβγ not only recruits the enzyme to membranes but also allosterically controls activity via both sites. Studies in a zebrafish model examining neutrophil migration are consistent with these results. These findings set the stage for future detailed investigation of Gβγ-mediated activation mechanisms in this enzyme family and will aid in developing drugs selective for PI3Kγ.