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.

Cellular proliferation, differentiation, and morphogenesis are shaped by multiple signaling cascades; their concurrent dysregulation plays an integral role in cancer progression and is a common feature of many malignancies. Three such cascades that contribute to the oncogenic potential are the Wnt/Frizzled(FZD), growth factor-receptor tyrosine kinases (RTKs), and G-proteins/GPCRs. Here we identify Daple, a modulator of trimeric G-proteins and a Dishevelled(Dvl)-binding protein as an unexpected point of convergence for all three cascades. Daple-dependent activation of Gαi and enhancement of non-canonical Wnt signals is not just triggered by Wnt5a/FZD to suppress tumorigenesis, but is also hijacked by growth factor-RTKs to fuel tumor progression. Phosphorylation of Daple by both RTKs and non-RTKs triggers Gαi activation and potentiates non-canonical Wnt signals that trigger epithelial-mesenchymal transition. In patients with colorectal cancers, concurrent upregulation of Daple and the prototype RTK, EGFR, carries poor prognosis. This work defines a novel growth factor↔G-protein↔Wnt crosstalk paradigm in cancer biology.

Cells perceive and respond to the extracellular matrix (ECM) via integrin receptors; their dysregulation has been implicated in inflammation and cancer metastasis. Here we show that a guanine nucleotide exchange modulator of trimeric-GTPase Galphai, GIV (a.k.a Girdin), directly binds the integrin adaptor Kindlin-2. A non-canonical short linear motif within the C-terminus of GIV binds Kindlin-2-FERM3 domain at a site that is distinct from the binding site for the canonical NPxY motif on the -integrin tail. Binding of GIV to Kindlin-2 allosterically enhances the affinity of Kindlin-2 for beta1-integrin. Consequently, integrin activation and clustering are maximized, which augments cell adhesion, spreading and invasion. Findings elucidate how the GIV/Kindlin-2 complex has a two-fold impact: it allosterically synergizes integrin activation and enables beta1-integrins to indirectly access and modulate trimeric GTPases via the complex. Furthermore, Cox proportional-hazard models on tumor transcriptomics provide trans-scale evidence of synergistic interactions between GIV/Kindlin-2/beta1-integrin on time to progression to metastasis.

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.

SUMMARY For a sperm to successfully fertilize an egg, it must first undergo capacitation in the female reproductive tract, and later undergo acrosomal reaction (AR) upon encountering an egg surrounded by its vestment. How premature AR is avoided despite rapid surges in signaling cascades during capacitation remains unknown. Using a combination of KO mice and cell-penetrating peptides, we show that GIV (CCDC88A), a guanine nucleotide-exchange modulator (GEM) for trimeric GTPases, is highly expressed in spermatocytes and is required for male fertility. GIV is rapidly phosphoregulated on key tyrosine and serine residues in human and murine spermatozoa. These phosphomodifications enable GIV-GEM to orchestrate two distinct compartmentalized signaling programs in the sperm tail and head; in the tail, GIV enhances PI3K→ Akt signals, sperm motility and survival, whereas in the head it inhibits cAMP surge and premature AR. Furthermore, GIV transcripts are downregulated in the testis and semen of infertile men. These findings exemplify the spatiotemporally segregated signaling programs that support sperm capacitation and shed light on a hitherto unforeseen cause of infertility in men. GRAPHIC ABSTRACT HIGHLIGHTS GIV is highly expressed in spermatozoa, and is required for male fertility GIV is rapidly phosphoregulated during sperm capacitation It enhances tyrosine-based signals in sperm tail, enhances motility It suppresses cAMP in the sperm head, inhibits premature acrosome exocytosis