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.

Abstract Calcineurin, the conserved protein phosphatase and target of immunosuppressants, is a critical mediator of Ca 2+ signaling. To discover novel calcineurin-regulated processes we examined an understudied isoform, CNAβ1. We show that unlike canonical cytosolic calcineurin, CNAβ1 localizes to the plasma membrane and Golgi due to palmitoylation of its divergent C-terminal tail, which is reversed by the ABHD17A depalmitoylase. Palmitoylation targets CNAβ1 to a distinct set of membrane-associated interactors including the phosphatidylinositol 4-kinase (PI4KA) complex containing EFR3B, PI4KA, TTC7B and FAM126A. Hydrogen-deuterium exchange reveals multiple calcineurin-PI4KA complex contacts, including a calcineurin-binding peptide motif in the disordered tail of FAM126A, which we establish as a calcineurin substrate. Calcineurin inhibitors decrease PI4P production during Gq-coupled GPCR signaling, suggesting that calcineurin dephosphorylates and promotes PI4KA complex activity. In sum, this work discovers a new calcineurin-regulated signaling pathway highlighting the PI4KA complex as a regulatory target and revealing that dynamic palmitoylation confers unique localization, substrate specificity and regulation to CNAβ1.

The family of Ras-like GTPases consists of over 150 different members, regulated by an even larger number of guanine exchange factors (GEFs) and GTPase-activating proteins (GAPs) that comprise cellular switch networks that govern cell motility, growth, polarity, protein trafficking, and gene expression. Efforts to develop selective small molecule probes and drugs for these proteins have been hampered by the high affinity of guanosine triphosphate (GTP) and lack of allosteric regulatory sites. This paradigm was recently challenged by the discovery of a cryptic allosteric pocket in the switch II region of K-Ras. Here, we ask whether similar pockets are present in GTPases beyond K-Ras. We systematically surveyed members of the Ras, Rho, and Rab family of GTPases and found that many GTPases exhibit targetable switch II pockets. Notable differences in the composition and conservation of key residues offer potential for the development of optimized inhibitors for many members of this previously undruggable family.

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 Numerous receptor tyrosine kinases and immune receptors activate phospholipase C-gamma (PLC-γ) isozymes at membranes to control diverse cellular processes including phagocytosis, migration, proliferation, and differentiation. The molecular details of this process are not well understood. Using hydrogen-deuterium exchange mass spectrometry (HDX-MS), we show that PLC-γ1 is relatively inert to lipid vesicles that contain its substrate, PIP 2 , unless first bound to the kinase domain of the fibroblast growth factor receptor (FGFR1). Exchange occurs throughout PLC-γ1 and is exaggerated in PLC-γ1 containing an oncogenic substitution (D1165H) that allosterically activates the lipase. These data support a model whereby initial complex formation shifts the conformational equilibrium of PLC-γ1 to favor activation. This receptor-induced priming of PLC-γ1 also explains the capacity of a kinase-inactive fragment of FGFR1 to modestly enhance the lipase activity of PLC-γ1 operating on lipid vesicles but not a soluble analog of PIP 2 and highlights cooperativity between receptor engagement and membrane proximity. Priming is expected to be greatly enhanced for receptors embedded in membranes and nearly universal for the myriad of receptors and co-receptors that bind the PLC-γ isozymes.

Abstract Class IB phosphoinositide 3-kinase (PI3Kγ) is activated in immune cells by diverse stimuli and can form two distinct complexes, with the p110γ catalytic subunit binding to either p101 or p84 regulatory subunits. These two complexes are differentially activated by G-protein coupled receptors (GPCRs) and Ras, but the molecular details of this activation are still unclear. Using a combination of X-ray crystallography, HDX-MS, EM, molecular modeling, and biochemical assays we reveal molecular differences between the two p110γ-p84 and p110γ-p101 complexes that explain their differential activation. The structure of p110γ-p84 shows a similar assembly to p110γ-p101 at the p110γ interface, however the interface in p110γ-p84 is dynamic and is evolutionarily conserved to be less stable compared to p110γ-p101. The p110γ-p84 complex is only weakly recruited to membranes by Gβγ subunits alone and requires recruitment by Ras to allow for Gβγ activation through an interaction with the p110γ helical domain. The interfaces of the p101 GBD with Gβγ, and the p110γ helical domain with Gβγ were determined using computational alphafold2 modeling and HDX-MS. There are distinct differences in the C-terminal domain of p84 and p101, which allows p101 to bind Gβγ subunits, while p84 does not. The two Gβγ interfaces in p110γ and p101 are distinct, revealing how unique mutants of Gβγ cause differential disruption of PI3Kγ complex activation. Overall, our work provides key insight into the molecular basis for how different PI3Kγ complexes are activated.

ABSTRACT Lipid droplets (LDs) are dynamic organelles that contain an oil core mainly composed of triglycerides (TAG) that is surrounded by a phospholipid monolayer and LD-associated proteins called perilipins (PLINs). During LD biogenesis, perilipin 3 (PLIN3) is recruited to nascent LDs as they emerge from the endoplasmic reticulum. Here, we analyzed how lipid composition affects PLIN3 recruitment to membrane bilayers and LDs, and the structural changes that occur upon membrane binding. We found the TAG precursors phosphatidic acid and diacylglycerol (DAG) recruit PLIN3 to membrane bilayers and define an expanded Perilipin-ADRP-Tip47 (PAT) domain that preferentially binds DAG enriched membranes. Membrane binding induces a disorder/order transition of alpha helices within the PAT domain and 11-mer repeats, with intramolecular distance measurements consistent with the expanded PAT domain adopting a folded but dynamic structure upon membrane binding. In cells, PLIN3 is recruited to DAG enriched ER membranes, and this requires both the PAT domain and 11-mer repeats. This provides molecular details of PLIN3 recruitment to nascent LDs and identifies a function of the PAT domain of PLIN3 in DAG binding.

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.