The PTEN tumor suppressor is mutated in diverse human cancers and in hereditary cancer predisposition syndromes. PTEN is a phosphatase that can act on both polypeptide and phosphoinositide substrates in vitro. The PTEN structure reveals a phosphatase domain that is similar to protein phosphatases but has an enlarged active site important for the accommodation of the phosphoinositide substrate. The structure also reveals that PTEN has a C2 domain. The PTEN C2 domain binds phospholipid membranes in vitro, and mutation of basic residues that could mediate this reduces PTEN's membrane affinity and its ability to suppress the growth of glioblastoma tumor cells. The phosphatase and C2 domains associate across an extensive interface, suggesting that the C2 domain may serve to productively position the catalytic domain on the membrane.

The mammalian target of rapamycin (mTOR), a phosphoinositide 3-kinase-related protein kinase, controls cell growth in response to nutrients and growth factors and is frequently deregulated in cancer. Here we report co-crystal structures of a complex of truncated mTOR and mammalian lethal with SEC13 protein 8 (mLST8) with an ATP transition state mimic and with ATP-site inhibitors. The structures reveal an intrinsically active kinase conformation, with catalytic residues and a catalytic mechanism remarkably similar to canonical protein kinases. The active site is highly recessed owing to the FKBP12–rapamycin-binding (FRB) domain and an inhibitory helix protruding from the catalytic cleft. mTOR-activating mutations map to the structural framework that holds these elements in place, indicating that the kinase is controlled by restricted access. In vitro biochemistry shows that the FRB domain acts as a gatekeeper, with its rapamycin-binding site interacting with substrates to grant them access to the restricted active site. Rapamycin–FKBP12 inhibits the kinase by directly blocking substrate recruitment and by further restricting active-site access. The structures also reveal active-site residues and conformational changes that underlie inhibitor potency and specificity. Co-crystal structures of a number of complexes involving truncated mammalian target of rapamycin, a phosphoinositide 3-kinase-related protein kinase, reveal an intrinsically active kinase conformation and show how rapamycin–FKBP12 directly blocks substrate recruitment to the kinase domain. The mTOR (mammalian target of rapamycin) pathway is a central regulator of cell growth in response to environmental signals such as energy, nutrients and growth factors, and is misregulated in cancer and metabolic diseases. Here the first crystal structures of the mTOR kinase are presented. The 3.2 Å crystal structures of the enzyme bound to a positive regulator and to small-molecule ATP-competitive inhibitors reveal an intrinsically active kinase, and explain how the rapamycin–FKBP12 complex blocks recruitment of substrates to the kinase domain.

The Smad family of proteins, which are frequently targeted by tumorigenic mutations in cancer, mediate TGF-β signaling from cell membrane to nucleus. The crystal structure of a Smad3 MH1 domain bound to an optimal DNA sequence determined at 2.8 Å resolution reveals a novel DNA-binding motif. In the crystals, base-specific DNA recognition is provided exclusively by a conserved 11-residue β hairpin that is embedded in the major groove of DNA. A surface loop region, to which tumorigenic mutations map, has been identified as a functional surface important for Smad activity. This structure establishes a framework for understanding how Smad proteins may act in concert with other transcription factors in the regulation of TGF-β-responsive genes.

The PTEN tumor suppressor is frequently affected in cancer cells, and inherited PTEN mutation causes cancer-susceptibility conditions such as Cowden syndrome. PTEN acts as a plasma-membrane lipid-phosphatase antagonizing the phosphoinositide 3-kinase/AKT cell survival pathway. However, PTEN is also found in cell nuclei, but mechanism, function, and relevance of nuclear localization remain unclear. We show that nuclear PTEN is essential for tumor suppression and that PTEN nuclear import is mediated by its monoubiquitination. A lysine mutant of PTEN, K289E associated with Cowden syndrome, retains catalytic activity but fails to accumulate in nuclei of patient tissue due to an import defect. We identify this and another lysine residue as major monoubiquitination sites essential for PTEN import. While nuclear PTEN is stable, polyubiquitination leads to its degradation in the cytoplasm. Thus, we identify cancer-associated mutations of PTEN that target its posttranslational modification and demonstrate how a discrete molecular mechanism dictates tumor progression by differentiating between degradation and protection of PTEN.

Mutations in the BRCA2 (breast cancer susceptibility gene 2) tumor suppressor lead to chromosomal instability due to defects in the repair of double-strand DNA breaks (DSBs) by homologous recombination, but BRCA2's role in this process has been unclear. Here, we present the 3.1 angstrom crystal structure of a ∼90-kilodalton BRCA2 domain bound to DSS1, which reveals three oligonucleotide-binding (OB) folds and a helix-turn-helix (HTH) motif. We also (i) demonstrate that this BRCA2 domain binds single-stranded DNA, (ii) present its 3.5 angstrom structure bound to oligo(dT) 9 , (iii) provide data that implicate the HTH motif in dsDNA binding, and (iv) show that BRCA2 stimulates RAD51-mediated recombination in vitro. These findings establish that BRCA2 functions directly in homologous recombination and provide a structural and biochemical basis for understanding the loss of recombination-mediated DSB repair in BRCA2-associated cancers.

The mechanistic target of rapamycin complex 1 (mTORC1) controls cell growth and metabolism in response to nutrients, energy levels, and growth factors. It contains the atypical kinase mTOR and the RAPTOR subunit that binds to the Tor signalling sequence (TOS) motif of substrates and regulators. mTORC1 is activated by the small GTPase RHEB (Ras homologue enriched in brain) and inhibited by PRAS40. Here we present the 3.0 ångström cryo-electron microscopy structure of mTORC1 and the 3.4 ångström structure of activated RHEB–mTORC1. RHEB binds to mTOR distally from the kinase active site, yet causes a global conformational change that allosterically realigns active-site residues, accelerating catalysis. Cancer-associated hyperactivating mutations map to structural elements that maintain the inactive state, and we provide biochemical evidence that they mimic RHEB relieving auto-inhibition. We also present crystal structures of RAPTOR–TOS motif complexes that define the determinants of TOS recognition, of an mTOR FKBP12–rapamycin-binding (FRB) domain–substrate complex that establishes a second substrate-recruitment mechanism, and of a truncated mTOR–PRAS40 complex that reveals PRAS40 inhibits both substrate-recruitment sites. These findings help explain how mTORC1 selects its substrates, how its kinase activity is controlled, and how it is activated by cancer-associated mutations. The cryo-electron microscopy and crystal structures of several mTORC1 complexes, and accompanying biochemical analyses, shed light on how mTORC1 is regulated and how cancer mutations lead to its hyperactivation. Mechanistic target of rapamycin complex 1 (mTORC1) is a protein complex that is important for regulating cell growth and homeostasis and is aberrantly regulated in many diseases such as cancer, diabetes and neurodegeneration. Here, Nikola Pavletich and colleagues use cryo-electron microscopy and crystallography to determine the structures of several mTORC1 complexes. The structures and accompanying biochemical analysis provide mechanistic insights into how mTORC1 is allosterically activated by the GTPase RHEB, how it is inhibited by PRAS40, and how it recognizes substrates via the TOS motif. The findings also shed light on how cancer mutations lead to hyperactivation of mTORC1.

Abstract BACKGROUND Early detection of lung cancer to allow curative treatment remains challenging. Cell-free circulating tumor DNA (ctDNA) analysis may aid in malignancy assessment and early cancer diagnosis of lung nodules found in screening imagery. METHODS The multi-center clinical study enrolled 192 patients with operable occupying lung diseases. Plasma ctDNA, white blood cell genomic DNA (gDNA) and tumor tissue gDNA of each patient were analyzed by ultra-deep sequencing to an average of 35,000X of the coding regions of 65 lung cancer-related genes. RESULTS The cohort consists of a quarter of benign lung diseases and three quarters of cancer patients with all histopathology subtypes. 64% of the cancer patients is at Stage I. Gene mutations detection in tissue gDNA and plasma ctDNA results in a sensitivity of 91% and specificity of 88%. When ctDNA assay was used as the test, the sensitivity was 69% and specificity 96%. As for the lung cancer patients, the assay detected 63%, 83%, 94% and 100%, for Stage I, II, III and IV, respectively. In a linear discriminant analysis, combination of ctDNA, patient age and a panel of serum biomarkers boosted the overall sensitivity to 80% at a specificity of 99%. 29 out of the 65 genes harbored mutations in the lung cancer patients with the largest number found in TP53 (30% plasma and 62% tumor tissue samples) and EGFR (20% and 40%, respectively). CONCLUSION Plasma ctDNA was analyzed in lung nodule assessment and early cancer detection while an algorithm combining clinical information enhanced the test performance.