PI3Kγ is a critical immune signaling enzyme activated downstream of diverse cell surface molecules, including Ras, PKCβ activated by the IgE receptor, and Gβγ subunits released from activated GPCRs. PI3Kγ can form two distinct complexes, with the p110γ catalytic subunit binding to either a p101 or p84 regulatory subunit, with these complexes being differentially activated by upstream stimuli. Here, using a combination of cryo electron microscopy, HDX-MS, and biochemical assays, we have identified novel roles of the helical domain of p110γ in regulating lipid kinase activity of distinct PI3Kγ complexes. We defined the molecular basis for how an allosteric inhibitory nanobody potently inhibits kinase activity through rigidifying the helical domain and regulatory motif of the kinase domain. The nanobody did not block either p110γ membrane recruitment or Ras/Gβγ binding, but instead decreased ATP turnover. We also identified that p110γ can be activated by dual PKCβ helical domain phosphorylation leading to partial unfolding of an N-terminal region of the helical domain. PKCβ phosphorylation is selective for p110γ-p84 compared to p110γ-p101, driven by differential dynamics of the helical domain of these different complexes. Nanobody binding prevented PKCβ-mediated phosphorylation. Overall, this work shows an unexpected allosteric regulatory role of the helical domain of p110γ that is distinct between p110γ-p84 and p110γ-p101 and reveals how this can be modulated by either phosphorylation or allosteric inhibitory binding partners. This opens possibilities of future allosteric inhibitor development for therapeutic intervention.

PI3Kγ is a critical immune signaling enzyme activated downstream of diverse cell surface molecules, including Ras, PKCβ activated by the IgE receptor, and Gβγ subunits released from activated GPCRs. PI3Kγ can form two distinct complexes, with the p110γ catalytic subunit binding to either a p101 or p84 regulatory subunit, with these complexes being differentially activated by upstream stimuli. Here, using a combination of cryo electron microscopy, HDX-MS, and biochemical assays, we have identified novel roles of the helical domain of p110γ in regulating lipid kinase activity of distinct PI3Kγ complexes. We defined the molecular basis for how an allosteric inhibitory nanobody potently inhibits kinase activity through rigidifying the helical domain and regulatory motif of the kinase domain. The nanobody did not block either p110γ membrane recruitment or Ras/Gβγ binding, but instead decreased ATP turnover. We also identified that p110γ can be activated by dual PKCβ helical domain phosphorylation leading to partial unfolding of an N-terminal region of the helical domain. PKCβ phosphorylation is selective for p110γ-p84 compared to p110γ-p101, driven by differential dynamics of the helical domain of these different complexes. Nanobody binding prevented PKCβ-mediated phosphorylation. Overall, this work shows an unexpected allosteric regulatory role of the helical domain of p110γ that is distinct between p110γ-p84 and p110γ-p101 and reveals how this can be modulated by either phosphorylation or allosteric inhibitory binding partners. This opens possibilities of future allosteric inhibitor development for therapeutic intervention.

PI3Kγ is a critical immune signaling enzyme activated downstream of diverse cell surface molecules, including Ras, PKCβ activated by the IgE receptor, and Gβγ subunits released from activated GPCRs. PI3Kγ can form two distinct complexes, with the p110γ catalytic subunit binding to either a p101 or p84 regulatory subunit, with these complexes being differentially activated by upstream stimuli. Here using a combination of Cryo electron microscopy, HDX-MS, and biochemical assays we have identified novel roles of the helical domain of p110γ in regulating lipid kinase activity of distinct PI3Kγ complexes. We defined the molecular basis for how an allosteric inhibitory nanobody potently inhibits kinase activity through rigidifying the helical domain and regulatory motif of the kinase domain. The nanobody did not block either p110γ membrane recruitment or Ras/Gβγ binding, but instead decreased ATP turnover. We also identified that p110γ can be activated by dual PKCβ helical domain phosphorylation leading to partial unfolding of an N-terminal region of the helical domain. PKCβ phosphorylation is selective for p110γ-p84 compared to p110γ-p101, driven by differential dynamics of the helical domain of these different complexes. Nanobody binding prevented PKCβ mediated phosphorylation. Overall, this works shows an unexpected allosteric regulatory role of the helical domain of p110γ that is distinct between p110γ-p84 and p110γ-p101, and reveals how this can be modulated by either phosphorylation or allosteric inhibitory binding partners. This opens possibilities of future allosteric inhibitor development for therapeutic intervention.

PI3Kγ is a critical immune signaling enzyme activated downstream of diverse cell surface molecules, including Ras, PKCβ activated by the IgE receptor, and Gβγ subunits released from activated GPCRs. PI3Kγ can form two distinct complexes, with the p110γ catalytic subunit binding to either a p101 or p84 regulatory subunit, with these complexes being differentially activated by upstream stimuli. Here using a combination of cryo electron microscopy, HDX-MS, and biochemical assays we have identified novel roles of the helical domain of p110γ in regulating lipid kinase activity of distinct PI3Kγ complexes. We defined the molecular basis for how an allosteric inhibitory nanobody potently inhibits kinase activity through rigidifying the helical domain and regulatory motif of the kinase domain. The nanobody did not block either p110γ membrane recruitment or Ras/Gβγ binding, but instead decreased ATP turnover. We also identified that p110γ can be activated by dual PKCβ helical domain phosphorylation leading to partial unfolding of an N-terminal region of the helical domain. PKCβ phosphorylation is selective for p110γ-p84 compared to p110γ-p101, driven by differential dynamics of the helical domain of these different complexes. Nanobody binding prevented PKCβ mediated phosphorylation. Overall, this works shows an unexpected allosteric regulatory role of the helical domain of p110γ that is distinct between p110γ-p84 and p110γ-p101 and reveals how this can be modulated by either phosphorylation or allosteric inhibitory binding partners. This opens possibilities of future allosteric inhibitor development for therapeutic intervention.

Abstract Class I Phosphoinositide 3-kinases (PI3Ks) are master regulators of cellular functions, with the p110 γ subunit playing a key role in immune signalling. PI3K γ is a key factor in inflammatory diseases, and has been identified as a therapeutic target for cancers due to its immunomodulatory role. Using a combined biochemical/biophysical approach, we have revealed insight into regulation of kinase activity, specifically defining how immunodeficiency and oncogenic mutations of R1021 in the c-terminus can inactivate or activate enzyme activity. Screening of small molecule inhibitors using HDX-MS revealed that activation loop binding inhibitors induce allosteric conformational changes that mimic those seen for the R1021C mutant. Structural analysis of clinically advanced PI3K inhibitors revealed novel binding pockets that can be exploited for further therapeutic development. Overall this work provides unique insight into the regulatory mechanisms that control PI3K γ kinase activity, and shows a framework for the design of PI3K isoform and mutant selective inhibitors.

Abstract PI3Kγ is a critical immune signaling enzyme activated downstream of diverse cell surface molecules, including Ras, PKCβ activated by the IgE receptor, and Gβγ subunits released from activated GPCRs. PI3Kγ can form two distinct complexes, with the p110γ catalytic subunit binding to either a p101 or p84 regulatory subunit, with these complexes being differentially activated by upstream stimuli. Here using a combination of cryo electron microscopy, HDX-MS, and biochemical assays we have identified novel roles of the helical domain of p110γ in regulating lipid kinase activity of distinct PI3Kγ complexes. We defined the molecular basis for how an allosteric inhibitory nanobody potently inhibits kinase activity through rigidifying the helical domain and regulatory motif of the kinase domain. The nanobody did not block either p110γ membrane recruitment or Ras/Gβγ binding, but instead decreased ATP turnover. We also identified that p110γ can be activated by dual PKCβ helical domain phosphorylation leading to partial unfolding of an N-terminal region of the helical domain. PKCβ phosphorylation is selective for p110γ-p84 compared to p110γ-p101, driven by differential dynamics of the helical domain of these different complexes. Nanobody binding prevented PKCβ mediated phosphorylation. Overall, this works shows an unexpected allosteric regulatory role of the helical domain of p110γ that is distinct between p110γ-p84 and p110γ-p101 and reveals how this can be modulated by either phosphorylation or allosteric inhibitory binding partners. This opens possibilities of future allosteric inhibitor development for therapeutic intervention.

Abstract Phosphatidylinositol 4 kinase alpha (PI4KA, or PI4KIIIα), is crucial for maintaining the PI4P and phosphatidylserine pools of the plasma membrane. A key regulator of PI4KA is its association into a trimeric complex with TTC7 and FAM126 regulatory proteins. The activity of this complex can be regulated by the lipidated CNAβ1 isoform of the protein phosphatase Calcineurin. We previously identified that CNAβ1 directly binds to FAM126A. Here, we report a cryo-EM structure of a truncated PI4KA complex bound to Calcineurin, which reveals a direct Calcineurin interaction with PI4KA, forming a dimer of pentamers (PI4KA-TTC7B-FAM126A-CNA-CNB). HDX-MS, cryo-EM and computational modelling show that Calcineurin forms a direct complex with evolutionarily conserved IKISVT and LVPP sequences in PI4KA’s horn and dimerization domains. We also characterised conserved LTLT and PSISIT Calcineurin binding sequences in the C-terminus of FAM126A. These sites are located in close spatial proximity to multiple phosphorylation sites in the PI4KA complex, suggesting key roles of Calcineurin-regulated phosphosites in PI4KA regulation. This work reveals novel insight into how Calcineurin can regulate PI4KA activity at the plasma membrane.

Abstract There is considerable interest in developing antibodies as modulators of signaling pathways. One of the most important signaling pathways in higher eukaryotes is the phosphoinositide 3-kinase (PI3K) pathway, which plays fundamental roles in growth, metabolism and immunity. The class IB PI3K, PI3K γ , is a heterodimeric complex composed of a catalytic p110 γ subunit bound to a p101 or p84 regulatory subunit. PI3K γ is a critical component in multiple immune signaling processes and is dependent on activation by Ras and GPCRs to mediate its cellular roles. Here we describe the rapid and efficient characterization of multiple PI3K γ single chain camelid nanobodies using hydrogen deuterium exchange mass spectrometry (HDX-MS) for structural and biochemical studies. This allowed us to identify nanobodies that stimulated lipid kinase activity, blocked Ras activation and specifically inhibited p101-mediated GPCR activation. Overall, this reveals novel insight into PI3K γ regulation and identifies sites that may be exploited for therapeutic development. Highlights – HDX-MS rapidly identifies epitopes of camelid single-chain nanobodies raised against Class IB PI3K complexes, p110 γ /p101 and p110 γ /p84 – A nanobody targeting p101 improves local resolution in EM studies with p110 γ /p101 facilitating structural characterization of the complex – Nanobodies that bind at the interfaces with the lipidated activators Ras and G βγ can prevent activation of p110 γ /p101 and p110 γ /p84

Abstract PIK3CA encoding the phosphoinositide 3-kinase (PI3K) p110α catalytic subunit is frequently mutated in cancer, with mutations occurring widely throughout the primary sequence. The full set of mechanisms underlying how PI3Ks are activated by all oncogenic mutations on membranes are unclear. Using a synergy of biochemical assays and hydrogen deuterium exchange mass spectrometry (HDX-MS), we reveal unique regulatory mechanisms underlying PI3K activation. Engagement of p110α on membranes leads to disengagement of the ABD of p110α from the catalytic core, and the C2 domain from the iSH2 domain of the p85 regulatory subunit. PI3K activation also requires reorientation of the p110α C-terminus, with mutations that alter the inhibited conformation of the C-terminus increasing membrane binding. Mutations at the C-terminus (M1043I/L, H1047R, G1049R, and N1068KLKR) activate p110α through distinct mechanisms, with this having important implications for mutant selective inhibitor development. This work reveals unique mechanisms underlying how PI3K is activated by oncogenic mutations, and explains how double mutants can synergistically increase PI3K activity.