Abstract Due to their prominent role in development and infamy in cancer and HIV, the chemokine receptor CXCR4 and its ligand, CXCL12, have been the subject of numerous structural and functional studies. Nevertheless, a high resolution structure of the CXCR4-CXCL12 complex has not been reported. Even with several alternative computational models of the complex at hand, the relative contributions of different interaction epitopes to ligand binding, ligand selectivity and signaling are not readily apparent. Here, building upon our latest structural model, we employed a systematic mutagenesis strategy to dissect the functional anatomy of the of CXCR4-CXCL12 complex. Key charge swap mutagenesis experiments supported pairwise interactions between oppositely charged residues in the receptor and chemokine, confirming the accuracy of the predicted orientation of the chemokine relative to the receptor, while also providing insight into ligand selectivity. Progressive deletion of N-terminal residues revealed an unexpected contribution of the receptor N-terminus to chemokine signaling; this finding challenges a longstanding “two-site” hypothesis about the essential features of the receptor-chemokine interaction where the N-terminus is purported to only contribute to binding affinity. The results suggest that while the interaction of the chemokine N-terminus with the receptor binding pocket is the key driver of signaling, the signaling amplitude depends on the extent to which the receptor N-terminus binds the chemokine. Along with systematic characterization of other epitopes, the current data allow us to propose a comprehensive experimentally-consistent structural model for how the chemokine binds CXCR4 and initiates signal transmission through the receptor TM domain. One sentence summary A systematic structure-guided mutagenesis study of chemokine receptor CXCR4 reveals novel insights into epitopes regulating ligand recognition, ligand specificity and CXCL12-mediated signaling.

ABSTRACT Cancers represent complex autonomous systems, displaying self-sufficiency in growth signaling. Autonomous growth is fueled by a cancer cell’s ability to ‘secrete-and-sense’ growth factors: a poorly understood phenomenon. Using an integrated systems and experimental approach, here we dissect the impact of a feedback-coupled GTPase circuit within the secretory pathway that imparts secretion-coupled autonomy. The circuit is assembled when the Ras-superfamily monomeric GTPase Arf1, and the heterotrimeric GTPase Giαβγ and their corresponding GAPs and GEFs are coupled by GIV/Girdin, a protein that is known to fuel aggressive traits in diverse cancers. One forward and two key negative feedback loops within the circuit create closed-loop control (CLC), allow the two GTPases to coregulate each other, and convert the expected switch-like behavior of Arf1-dependent secretion into an unexpected dose response alignment behavior of sensing and secretion. Such behavior translates into cell survival that is self-sustained by stimulus-proportionate secretion. Proteomic studies and protein-protein interaction network analyses pinpoint growth factors (e.g., the epidermal growth factor; EGF) as a key stimuli for such self-sustenance. Findings highlight how enhanced coupling of two biological switches in cancer cells is critical for multiscale feedback control to achieve secretion-coupled autonomy of growth factors. SYNOPSIS IMAGE STANDFIRST TEXT This work defines the inner workings of a Golgi-localized molecular circuitry comprised of coupled GTPases, which empowers cells to achieve self-sufficiency in growth factor signaling by creating a secrete-and-sense autocrine loop. HIGHLIGHTS/MAIN FINDINGS Modeling and experimental approaches were used to dissect a coupled GTPase circuit. Coupling enables closed loop feedback and mutual control of GTPases. Coupling generates dose response alignment behavior of sensing and secretion of growth factors. Coupling is critical for multiscale feedback control to achieve secretion-coupled autonomy.

Abstract GPR37L1 is an orphan G protein-coupled receptor expressed exclusively in the brain and linked to seizures, neuroprotection and cardiovascular disease. Based upon the observation that fragments of the GPR37L1 N-terminus are found in human cerebrospinal fluid, we hypothesized that GPR37L1 was subject to post-translational modification. Heterologous expression of GPR37L1-eYFP in either HEK293 or U87 glioblastoma cells yielded two cell surface species of approximately equivalent abundance, the larger of which is N-glycosylated at Asn 105 . The smaller species is produced by matrix metalloprotease/ADAM-mediated proteolysis (shown by the use of pharmacological inhibitors) and has a molecular weight identical to that of a mutant lacking the entire N-terminus, Δ122 GPR37L1. Serial truncation of the N-terminus prevented GPR37L1 expression except when the entire N-terminus was removed, narrowing the predicted site of N-terminal proteolysis to residues 105-122. Using yeast expressing different G protein chimeras, we found that wild type GPR37L1, but not Δ122 GPR37L1, coupled constitutively to Gpa1/Gαs and Gpa1/Gα16 chimeras, in contrast to previous studies. We tested the peptides identified in cerebrospinal fluid as well as their putative newly-generated N-terminal ‘tethered’ counterparts in both wild type and Δ122 GPR37L1 Gpa1/Gαs strains but saw no effect, suggesting that GPR37L1 does not signal in a manner akin to the protease-activated receptor family. We also saw no evidence of receptor activation or regulation by the reported GPR37L1 ligand, prosaptide/TX14A. Finally, the proteolytically processed species predominated both in vivo and ex vivo in organotypic cerebellar slice preparations, suggesting that GPR37L1 is rapidly processed to a signaling-inactive form. Our data indicate that the function of GPR37L1 in vivo is tightly regulated by metalloprotease-dependent N-terminal cleavage.

Abstract PDZ domains are one of the most abundant protein domains in eukaryotes and frequently found on junction-localized scaffold proteins. Various signaling molecules bind to PDZ proteins via PDZ-binding motifs (PBM) and finetune cellular signaling. Here we describe the presence of a PBM on GIV/Girdin (CCDC88A) that is conserved throughout evolution, from invertebrates to vertebrates, and is generated as a long isoform-variant in humans, which we named GIV-L . Unlike GIV, which lacks PBM and is cytosolic, GIV-L localizes to the cell junctions, and has a unique PDZ-interactome, which impacts GIV-L ’s ability to bind and activate trimeric G-protein, Gi through its g uanine-nucleotide e xchange m odulator (GEM) module; the GEM module is found exclusively in vertebrates. Thus, the two functional modules in GIV evolved sequentially: the ability to bind PDZ proteins via the PBM evolved earlier in invertebrates, whereas G-protein binding and activation may have evolved later only among vertebrates. Phenotypic studies in Caco-2 cells revealed that GIV and GIV-L may have antagonistic effects on cell growth, proliferation (cell cycle), and survival. Immunohistochemical analyses in human colon tissues showed that GIV expression increases with a concomitant decrease in GIV-L during cancer initiation. Taken together, these findings reveal how GIV/CCDC88A in humans displays evolutionary flexibility in modularity, which allows the resultant isoforms to play opposing roles either as a tumor suppressor (GIV-L) or as an oncogene (GIV).

Abstract The molecular mechanisms by which receptor tyrosine kinases (RTKs) and heterotrimeric G proteins, two major signaling hubs in eukaryotes, independently relay signals across the plasma membrane have been extensively characterized. How these hubs crosstalk has been a long-standing question, but answers remain elusive. Using linear-ion-trap mass spectrometry in combination with biochemical, cellular, and computational approaches, we unravel a mechanism of activation of heterotrimeric G proteins by RTKs and chart the key steps that mediate such activation. Upon growth factor stimulation, the guanine-nucleotide exchange modulator, GIV, dissociates Gαi•βγ trimers, scaffolds monomeric Gαi with RTKs, and facilitates the phosphorylation on two tyrosines located within the inter-domain cleft of Gαi. Phosphorylation triggers the activation of Gαi and inhibits second messengers (cAMP). Tumor-associated mutants reveal how constitutive activation of this pathway impacts cell’s decision to ‘go’ vs . ‘grow’. These insights define a tyrosine-based G protein signaling paradigm and reveal its importance in eukaryotes. Significance Statement Growth factors and heterotrimeric G proteins are two of the most widely studied signaling pathways in eukaryotes; their crosstalk shapes some of the most fundamental cellular responses in both health and disease. Although mechanisms by which G protein pathways transactivate growth factor RTKs has been well-defined, how the reverse may happen is less understood. This study defines the key steps and cellular consequences of a fundamental mechanism of signal crosstalk that enables RTKs to transactivate heterotrimeric G protein, Gαi. Mutations found in tumors shed light on how derailing this mechanism impacts tumor cell behavior. Thus, findings not only show how cells integrate extracellular signals via pathway crosstalk, but also demonstrate the relevance of this pathway in cancers.

Chemokines and their receptors are orchestrators of cell migration in humans. Because dysregulation of the receptor-chemokine system leads to inflammation and cancer, both chemokines and receptors are highly sought therapeutic targets. Yet one of the barriers for their therapeutic targeting is the limited understanding of the structural principles behind receptor-chemokine recognition and selectivity. The existing structures do not include CXC subfamily complexes and lack information about the receptor distal N-termini, despite the importance of the latter in signaling, regulation, and bias. Here we report the discovery of the geometry of the complex between full-length CXCR4, a prototypical CXC receptor and driver of cancer metastasis, and its endogenous ligand CXCL12. By comprehensive disulfide crosslinking, we establish the existence and the structure of a novel interface between the CXCR4 distal N-terminus and CXCL12 β1-strand, while also recapitulating earlier findings from NMR, modeling and crystallography of homologous receptors. A crosslinking-informed high-resolution model of the CXCR4-CXCL12 complex pinpoints the interaction determinants and reveals the occupancy of the receptor major subpocket by the CXCL12 proximal N-terminus. This newly found positioning of the chemokine proximal N-terminus provides a structural explanation of CXC receptor-chemokine selectivity against other subfamilies. Our findings challenge the traditional two-site understanding of receptor-chemokine recognition, suggest the possibility of new affinity and signaling determinants, and fill a critical void on the structural map of an important class of therapeutic targets. These results will aid the rational design of selective chemokine-receptor-targeting small molecules and biologics with novel pharmacology.

Abstract Orphan G protein-coupled receptors (GPCRs) are largely intractable therapeutic targets, owing to the lack of chemical tools for exploring their pharmacology. The discovery of such tools, however, is hampered by a number of unknowns, such as effector coupling and appropriate positive controls. In our 2017 Nature Chemical Biology paper 1 , we developed a computational chemical tool discovery approach called GPCR Contact-Informed Neighboring Pocket (GPCR-CoINPocket). This method predicted pharmacological similarity of GPCRs in a ligand- and structure-independent manner, to enable the discovery of off-target activities of known compounds at orphan GPCRs and hence the identification of so-called surrogate ligands. Our orphan GPCR target for prospective surrogate ligand discovery efforts was GPR37L1, a brain-specific receptor linked to cerebellar development 2 and seizures 3 . We had previously demonstrated that GPR37L1 constitutively coupled to Gαs and generated ligand-independent increases in intracellular cAMP 4§ . Thus, the inverse agonist activities of computationally predicted surrogates were tested in the cAMP response element luciferase (CRE-luc) reporter gene assay in human embryonic kidney (HEK293) cells expressing either vector control or what we thought was untagged GPR37L1 in pcDNA3.1. However, we recently discovered that the GPR37L1 construct used in that study was incorrect: instead of pcDNA3.1, it carried the receptor inserted backwards into a yeast p426GPD vector (hereafter referred to as p426-r37L1). Here, we correct the cloning error and describe our subsequent unsuccessful efforts to re-test the computationally predicted GPR37L1 ligands (triggering an author-initiated retraction of 1 ). Note We, the authors, are working with the Nature Chemical Biology Editors to retract our 2017 paper ‘Orphan receptor ligand discovery by pickpocketing pharmacological neighbors’ 1 . The present manuscript is under review at Nature Chemical Biology as a Matters Arising accompaniment to the anticipated author-initiated retraction. We initiated the steps towards the retraction upon discovering a regrettable cloning error that put into question the in vitro findings reported in 1 . This action was unanimously agreed upon by all authors. The computational aspects of the original manuscript 1 are unaffected by this error.