Abstract Pathophysiological defects in water homeostasis can lead to renal failure. Autosomal dominant polycystic kidney disease (ADPKD) is a common genetic disorder associated with abnormal cytoskeletal dynamics in the kidney collecting ducts and perturbed calcium and cAMP signaling in the ciliary compartment. We show that collecting ducts in mice lacking the A-Kinase anchoring protein AKAP220 exhibit enhanced development of primary cilia. Mechanistic studies reveal that AKAP220-associated protein phosphatase 1 (PP1) mediates this phenotype by promoting changes in the stability of histone deacetylase 6 (HDAC6) with concomitant defects in actin dynamics. This proceeds through a previously unrecognized adaptor function for PP1 as all ciliogenesis and cytoskeletal phenotypes are recapitulated in mIMCD3 knock-in cells expressing a phosphatase-targeting defective AKAP220-ΔPP1 mutant. Pharmacological blocking of local HDAC6 activity alters cilia development and reduces cystogenesis in kidney-on-chip and organoid models of ADPKD. These findings identify the AKAP220-PPI-HDAC6 pathway as a key effector in primary cilia development.

Abstract Genetic alterations that activate protein kinase A (PKA) signaling are found across many tumor types, but their downstream oncogenic mechanisms are poorly understood. We used global phosphoproteomics and kinome activity profiling to map the conserved signaling outputs driven by diverse genetic changes that activate PKA in human cancer, including melanoma and fibrolamellar carcinoma (FLC). We define two consensus networks of effectors downstream of PKA in cancer models. One is centered on RAS/MAPK components, and a second involves Aurora Kinase A (AURKA). We find that AURKA stabilizes c-MYC and n-MYC protein levels and expression programs in PKA-dependent tumor models, in part via a positive feedback loop mediated by the oncogenic kinase PIM2. This process can be suppressed by conformation-disrupting AURKA inhibitors such as CD-532. Our findings elucidate two independent mechanisms of PKA-driven tumor cell growth and offer insight into drug targets for study in FLC and other PKA-dependent malignancies.

The DNAJ-PKAc fusion kinase is a defining feature of the adolescent liver cancer fibrolamellar carcinoma (FLC). A single lesion on chromosome 19 generates this mutant kinase by creating a fused gene encoding the chaperonin binding domain of Hsp40 (DNAJ) in frame with the catalytic core of protein kinase A (PKAc). FLC tumors are notoriously resistant to standard chemotherapies. Aberrant kinase activity is assumed to be a contributing factor. Yet recruitment of binding partners, such as the chaperone Hsp70, implies that the scaffolding function of DNAJ- PKAc may also underlie pathogenesis. By combining proximity proteomics with biochemical analyses and photoactivation live-cell imaging we demonstrate that DNAJ-PKAc is not constrained by A-kinase anchoring proteins. Consequently, the fusion kinase phosphorylates a unique array of substrates. One validated DNAJ-PKAc target is the Bcl-2 associated athanogene 2 (BAG2), a co-chaperone recruited to the fusion kinase through association with Hsp70. Immunoblot and immunohistochemical analyses of FLC patient samples correlate increased levels of BAG2 with advanced disease and metastatic recurrences. BAG2 is linked to Bcl-2, an anti-apoptotic factor that delays cell death. Pharmacological approaches tested if the DNAJ- PKAc/Hsp70/BAG2 axis contributes to chemotherapeutic resistance in AML12 DNAJ-PKAc hepatocyte cell lines using the DNA damaging agent etoposide and the Bcl-2 inhibitor navitoclax. Wildtype AML12 cells were susceptible to each drug alone and in combination. In contrast, AML12 DNAJ-PKAc cells were moderately affected by etoposide, resistant to navitoclax, but markedly susceptible to the drug combination. These studies implicate BAG2 as a biomarker for advanced FLC and a chemotherapeutic resistance factor in DNAJ-PKAc signaling scaffolds.

Fibrolamellar carcinoma (FLC) is a rare, therapeutically intractable liver cancer that disproportionately affects youth. Although FLC tumors exhibit a distinct gene expression profile, the causative transcriptional mechanisms remain unclear. Here we used chromatin run-on sequencing to discover approximately 7,000 enhancers and 141 enhancer hotspots activated in FLC relative to non-malignant liver. Detailed bioinformatic analyses revealed aberrant ERK/MEK signaling and candidate master transcriptional regulators. We also defined the genes most strongly associated with aberrant FLC enhancer activity, including CA12 and SLC16A14. Treatment of FLC cell models with inhibitors of CA12 or SLC16A14 independently reduced cell viability and/or significantly enhanced the effect of MEK inhibitor cobimetinib. These findings highlight new molecular targets for drug development as well as novel drug combination approaches.

Abstract Mitogenic signals that regulate cell division often proceed through multi-enzyme assemblies within defined intracellular compartments. The anchoring protein Gravin restricts the action of mitotic kinases and cell-cycle effectors to defined mitotic structures. In this report we discover that genetic deletion of Gravin disrupts proper accumulation and asymmetric distribution of γ-tubulin during mitosis. We utilize a new precision pharmacology tool, Local Kinase Inhibition (LoKI), to inhibit the Gravin binding partner polo-like kinase 1 (Plk1) at spindle poles. Using a combination of gene-editing approaches, quantitative imaging, and biochemical assays we provide evidence that disruption of local Plk1 signaling underlies the γ-tubulin distribution defects observed with Gravin loss. Our study uncovers a new role for Gravin in coordinating γ-tubulin recruitment during mitosis and illuminates the mechanism by which signaling enzymes regulate this process at a distinct subcellular location.

Abstract Mutations in the catalytic subunit of protein kinase A (PKAc) drive the stress hormone disorder adrenal Cushing’s syndrome. Here we define mechanisms of action for the PKAc-L205R and W196R variants. Both Cushing’s mutants are excluded from A kinase anchoring protein (AKAP) signaling islands and consequently diffuse throughout the cell. Kinase-dead experiments show that PKA activity is required for cortisol hypersecretion. However, kinase activation is not sufficient, as only cAMP analog drugs that displace native PKAc from AKAPs enhance cortisol release. Rescue experiments that incorporate mutant PKAc into AKAP signaling islands abolish cortisol overproduction, indicating that kinase anchoring restores normal endocrine function. Phosphoproteomics show that PKAc-L205R and W196R engage different mitogenic signaling pathways. ERK activity is elevated in adrenal-specific PKAc-W196R knock-in mice. Conversely, PKAc-L205R attenuates Hippo signaling, thereby upregulating the YAP/TAZ transcriptional co-activators. Thus, aberrant localization of each Cushing’s variant promotes the transmission of a distinct downstream pathogenic signal.