Heterotrimeric G proteins can be regulated by post-translational modifications, including ubiquitylation. KCTD5, a pentameric substrate receptor protein consisting of an N-terminal BTB domain and a C-terminal domain (CTD), engages CUL3 to form the central scaffold of a cullin-RING E3 ligase complex (CRL3KCTD5) that ubiquitylates Gβγ and reduces Gβγ protein levels in cells. The cryo-EM structure of a 5:5:5 KCTD5/CUL3NTD/Gβ1γ2 assembly reveals a highly dynamic complex with rotations of over 60° between the KCTD5BTB/CUL3NTD and KCTD5CTD/Gβγ moieties of the structure. CRL3KCTD5 engages the E3 ligase ARIH1 to ubiquitylate Gβγ in an E3-E3 super-assembly, and extension of the structure to include full-length CUL3 with RBX1 and an ARIH1~ubiquitin conjugate reveals that some conformational states position the ARIH1~ubiquitin thioester bond to within 10 Å of lysine-23 of Gβ and likely represent priming complexes. Most previously described CRL/substrate structures have consisted of monovalent complexes and have involved flexible peptide substrates. The structure of the KCTD5/CUL3NTD/Gβγ complex shows that the oligomerization of a substrate receptor can generate a polyvalent E3 ligase complex and that the internal dynamics of the substrate receptor can position a structured target for ubiquitylation in a CRL3 complex.

Abstract The inaccessibility of human cardiomyocytes significantly hindered years of cardiovascular research efforts. Post-mortem tissue or biopsies from diseased patients, which remain scarcely available, rendered it possible to study end-stage heart disease yet the inclusion of healthy human cardiac materials for basic science research was beyond reach. To overcome these limitations, non-human cell sources were used as proxies to study heart function and associated diseases. Rodent models became increasingly acceptable surrogates to model the human heart either in vivo or through in vitro cultures. More recently, due to concerns regarding animal to human translation, including cross-species differences, the use of human inducible stem cell derived cardiomyocytes presented a renewed opportunity. We think it necessary to conduct a comparative study, assessing cellular signalling through cardiac G protein-coupled receptors and bulk transcriptomics of traditional rat neonatal cardiomyocytes and human iPSC-CMs. Genetically-encoded biosensors were used to interrogate nuclear protein kinase A (PKA) and extracellular signal-regulated kinase 1/ 2 (ERK 1/2 ) in rat and human-derived cardiomyocyte populations. To increase data granularity, a single-cell analytical approach was conducted for an in-depth examination of existing differences between both in vitro cardiomyocyte models. Using automated high content microscopy, our analyses of nuclear PKA and ERK 1/2 signaling revealed distinct response clusters in rat and human CMs. In line with this, bulk RNA-seq demonstrated key differences regarding the expression patterns of GPCRs, G proteins and effectors. Overall, our study demonstrates that human stem cell derived models of the cardiomyocyte do provide significant advantages and should be taken advantage of.