Decades ago, mitogen-promoted signaling duration and strength were observed to be sensed by the cell and to be critical for its decisions: to proliferate or differentiate. Landmark publications established the importance of mitogen signaling not only in the G 1 cell cycle phase but also through the S and the G 2 /M transition. Despite these early milestones, how mitogen signal duration and strength, short and strong or weaker and sustained, control cell fate has been largely unheeded. Here, we center on cardinal signaling-related questions, including (i) how fluctuating mitogenic signals are converted into cell proliferation-differentiation decisions and (ii) why extended duration of weak signaling is associated with differentiation, while bursts of strong and short induce proliferation but, if too strong and long, induce irreversible senescence. Our innovative broad outlook harnesses cell biology and protein conformational ensembles, helping us to define signaling strength, clarify cell cycle decisions, and thus cell fate.

Dysregulation of cyclin-dependent kinases (CDKs) impacts cell proliferation, driving cancer. Here, we ask why the cyclin-D/CDK4 complex governs cell cycle progression through the longer G1 phase, whereas cyclin-E/CDK2 regulates the short G1/S phase transition. We consider the experimentally established high-level bursting of cyclin-E, and sustained duration of elevated cyclin-D expression in the cell, available experimental cellular and structural data, and comprehensive explicit solvent molecular dynamics simulations to provide the mechanistic foundation of the distinct activation scenarios of cyclin-D/CDK4 and cyclin-E/CDK2 in the G1 phase and G1/S transition of the cell cycle, respectively. These lead us to propose slower activation of cyclin-D/CDK4 and rapid activation of cyclin-E/CDK2. Importantly, we determine the mechanisms through which this occurs, offering innovative CDK4 drug design considerations. Our insightful mechanistic work addresses the compelling cell cycle regulation question and illuminates the distinct activation speeds in the G1 versus G1/S phases, which are crucial for cell function.

Cyclin-dependent kinases (CDKs) are activated upon cyclin-binding to enable progression through the cell cycle. Dominant CDKs and cyclins in mammalian cells include CDK1, CDK2, CDK4, and CDK6 and corresponding cyclins A, B, D, and E. While only certain, "typical" cyclin/CDK complexes are primarily responsible for cell cycle progression, "atypical" cyclin/CDK complexes can form and sometimes perform the same roles as typical complexes. We asked what structural features of cyclins and CDKs favor the formation of typical complexes, a vital yet not fully explored question. We use computational docking and biophysical analyses to exhaustively evaluate the structure and stability of all CDK and cyclin complexes listed above. We find that binding of the complexes is generally stronger for typical than for atypical complexes, especially when the CDK is in an active conformation. Typical complexes have denser clusters, indicating that they have more defined cyclin-binding sites than atypical complexes. Our results help explain three notable features of cyclin/CDK function in the cell cycle: (i) why CDK4 and cyclin-D have exceptionally high specificity for each other; (ii) why both cyclin-A and cyclin-B strongly activate CDK1, whereas CDK2 is only strongly activated by cyclin-A; and (iii) why cyclin-E normally activates CDK2 but not CDK1. Overall, this work reveals the binding modalities of cyclin/CDK complexes, how the modalities lead to the preference for typical complexes versus atypical complexes, and how binding modalities differ between typical complexes. Our observations suggest targeting CDK catalytic actions through destabilizing their native differential cyclin interfaces.