Signaling by the epidermal growth factor receptor requires an allosteric interaction between the kinase domains of two receptors, whereby one activates the other. We show that the intracellular juxtamembrane segment of the receptor, known to potentiate kinase activity, is able to dimerize the kinase domains. The C-terminal half of the juxtamembrane segment latches the activated kinase domain to the activator, and the N-terminal half of this segment further potentiates dimerization, most likely by forming an antiparallel helical dimer that engages the transmembrane helices of the activated receptor. Our data are consistent with a mechanism in which the extracellular domains block the intrinsic ability of the transmembrane and cytoplasmic domains to dimerize and activate, with ligand binding releasing this block. The formation of the activating juxtamembrane latch is prevented by the C-terminal tails in a structure of an inactive kinase domain dimer, suggesting how alternative dimers can prevent ligand-independent activation.

Dimerization-driven activation of the intracellular kinase domains of the epidermal growth factor receptor (EGFR) upon extracellular ligand binding is crucial to cellular pathways regulating proliferation, migration, and differentiation. Inactive EGFR can exist as both monomers and dimers, suggesting that the mechanism regulating EGFR activity may be subtle. The membrane itself may play a role but creates substantial difficulties for structural studies. Our molecular dynamics simulations of membrane-embedded EGFR suggest that, in ligand-bound dimers, the extracellular domains assume conformations favoring dimerization of the transmembrane helices near their N termini, dimerization of the juxtamembrane segments, and formation of asymmetric (active) kinase dimers. In ligand-free dimers, by holding apart the N termini of the transmembrane helices, the extracellular domains instead favor C-terminal dimerization of the transmembrane helices, juxtamembrane segment dissociation and membrane burial, and formation of symmetric (inactive) kinase dimers. Electrostatic interactions of EGFR’s intracellular module with the membrane are critical in maintaining this coupling.

How the epidermal growth factor receptor (EGFR) activates is incompletely understood. The intracellular portion of the receptor is intrinsically active in solution, and to study its regulation, we measured autophosphorylation as a function of EGFR surface density in cells. Without EGF, intact EGFR escapes inhibition only at high surface densities. Although the transmembrane helix and the intracellular module together suffice for constitutive activity even at low densities, the intracellular module is inactivated when tethered on its own to the plasma membrane, and fluorescence cross-correlation shows that it fails to dimerize. NMR and functional data indicate that activation requires an N-terminal interaction between the transmembrane helices, which promotes an antiparallel interaction between juxtamembrane segments and release of inhibition by the membrane. We conclude that EGF binding removes steric constraints in the extracellular module, promoting activation through N-terminal association of the transmembrane helices.

Abstract PIK3CA is one of the most frequently mutated oncogenes; the p110α protein it encodes plays a central role in tumor cell proliferation and survival. Small molecule inhibitors targeting the PI3K p110α catalytic subunit have entered clinical trials, with early-phase GDC-0077 (Inavolisib) studies showing anti-tumor activity and a manageable safety profile in patients with PIK3CA -mutant, hormone receptor-positive breast cancer as a single agent or in combination therapy. Despite this, preclinical studies have shown that PI3K pathway inhibition releases negative feedback and activates receptor tyrosine kinase signaling, reengaging the pathway and attenuating drug activity. Here we discover that GDC-0077 and taselisib more potently inhibit mutant PI3K pathway signaling and cell viability through unique HER2-dependent degradation. Both are more effective than other PI3K inhibitors at maintaining prolonged pathway suppression, resulting in enhanced apoptosis and greater efficacy. This unique mechanism against mutant p110α reveals a new strategy for creating inhibitors that specifically target mutant tumors with selective degradation of the mutant oncoprotein and also provide a strong rationale for pursuing PI3Kα degraders in patients with HER2-positive breast cancer.

Modulation of proteolysis is an emerging therapeutic mainstay. The clinical success of thalidomide and analogs has inspired development of rationally-designed therapeutics that repurpose endogenous degradation machinery to target pathogenic proteins. However, it is unknown whether target removal is the critical effect that drives degrader-induced efficacy. Here we report that proteasome-generated peptides actively initiate degrader-induced cell death. Utilizing BET family degraders as exemplars, we find that induced proteasomal degradation of the BRD4-long isoform (BRD4-L) generates neo-amino-terminal peptides that neutralize Inhibitor of Apoptosis (IAP) proteins to precipitate cell death. Depletion of BRD4-L paradoxically suppresses caspase activation induced by numerous BET degraders. An unbiased screen revealed that other degrader compounds, including clinical CELMoDs, rely on the same mechanism to potentiate caspase activation and apoptosis. Finally, in the context of constitutive immunoglobulin proteostasis within multiple myeloma cells, we report that therapeutic proteasomal protease inhibition alters the peptide repertoire to neutralize IAPs, thus contributing to the clinical efficacy of bortezomib. Together, these findings clarify the counterintuitive clinical benefit achieved by combining thalidomide analogs with proteasome inhibitors. Our study reveals a previously unrealized pro-apoptotic function of the peptides generated by a variety of proteolysis-modulating compounds, that provide design considerations to maximize therapeutic benefit.