Protein interactions form a network whose structure drives cellular function and whose organization informs biological inquiry. Using high-throughput affinity-purification mass spectrometry, we identify interacting partners for 2,594 human proteins in HEK293T cells. The resulting network (BioPlex) contains 23,744 interactions among 7,668 proteins with 86% previously undocumented. BioPlex accurately depicts known complexes, attaining 80%–100% coverage for most CORUM complexes. The network readily subdivides into communities that correspond to complexes or clusters of functionally related proteins. More generally, network architecture reflects cellular localization, biological process, and molecular function, enabling functional characterization of thousands of proteins. Network structure also reveals associations among thousands of protein domains, suggesting a basis for examining structurally related proteins. Finally, BioPlex, in combination with other approaches, can be used to reveal interactions of biological or clinical significance. For example, mutations in the membrane protein VAPB implicated in familial amyotrophic lateral sclerosis perturb a defined community of interactors.

Affinity purification–mass spectrometry elucidates protein interaction networks and co-complexes to build, to our knowledge, the largest experimentally derived human protein interaction network so far, termed BioPlex 2.0. The thousands of proteins within a cell function as modules and networks to coordinate their biological activities. Large-scale efforts are underway to build protein interaction maps that reveal cellular proteome architecture. Here, Wade Harper and colleagues use affinity purification mass spectrometry to elucidate protein interaction networks and co-complexes and build the largest experimentally derived human proteome interaction network to date, termed BioPlex 2.0. Containing over 29,000 novel co-associations and 1,300 protein communities representing diverse cellular activities, BioPlex 2.0 is more than double the size of their earlier interaction network BioPlex 1.0 and will be a valuable resource for exploring uncharacterized proteins and candidate disease-linked genes. The physiology of a cell can be viewed as the product of thousands of proteins acting in concert to shape the cellular response. Coordination is achieved in part through networks of protein–protein interactions that assemble functionally related proteins into complexes, organelles, and signal transduction pathways. Understanding the architecture of the human proteome has the potential to inform cellular, structural, and evolutionary mechanisms and is critical to elucidating how genome variation contributes to disease1,2,3. Here we present BioPlex 2.0 (Biophysical Interactions of ORFeome-derived complexes), which uses robust affinity purification–mass spectrometry methodology4 to elucidate protein interaction networks and co-complexes nucleated by more than 25% of protein-coding genes from the human genome, and constitutes, to our knowledge, the largest such network so far. With more than 56,000 candidate interactions, BioPlex 2.0 contains more than 29,000 previously unknown co-associations and provides functional insights into hundreds of poorly characterized proteins while enhancing network-based analyses of domain associations, subcellular localization, and co-complex formation. Unsupervised Markov clustering5 of interacting proteins identified more than 1,300 protein communities representing diverse cellular activities. Genes essential for cell fitness6,7 are enriched within 53 communities representing central cellular functions. Moreover, we identified 442 communities associated with more than 2,000 disease annotations, placing numerous candidate disease genes into a cellular framework. BioPlex 2.0 exceeds previous experimentally derived interaction networks in depth and breadth, and will be a valuable resource for exploring the biology of incompletely characterized proteins and for elucidating larger-scale patterns of proteome organization.

Summary

 Thousands of interactions assemble proteins into modules that impart spatial and functional organization to the cellular proteome. Through affinity-purification mass spectrometry, we have created two proteome-scale, cell-line-specific interaction networks. The first, BioPlex 3.0, results from affinity purification of 10,128 human proteins—half the proteome—in 293T cells and includes 118,162 interactions among 14,586 proteins. The second results from 5,522 immunoprecipitations in HCT116 cells. These networks model the interactome whose structure encodes protein function, localization, and complex membership. Comparison across cell lines validates thousands of interactions and reveals extensive customization. Whereas shared interactions reside in core complexes and involve essential proteins, cell-specific interactions link these complexes, "rewiring" subnetworks within each cell's interactome. Interactions covary among proteins of shared function as the proteome remodels to produce each cell's phenotype. Viewable interactively online through BioPlexExplorer, these networks define principles of proteome organization and enable unknown protein characterization.

Thousands of interactions assemble proteins into modules that impart spatial and functional organization to the cellular proteome. Through affinity-purification mass spectrometry, we have created two proteome-scale, cell-line-specific interaction networks. The first, BioPlex 3.0, results from affinity purification of 10,128 human proteins - half the proteome - in 293T cells and includes 118,162 interactions among 14,586 proteins; the second results from 5,522 immunoprecipitations in HCT116 cells. These networks model the interactome at unprecedented scale, encoding protein function, localization, and complex membership. Their comparison validates thousands of interactions and reveals extensive customization of each network. While shared interactions reside in core complexes and involve essential proteins, cell-specific interactions bridge conserved complexes, likely 'rewiring' each cell's interactome. Interactions are gained and lost in tandem among proteins of shared function as the proteome remodels to produce each cell's phenotype. Viewable interactively online through BioPlexExplorer, these networks define principles of proteome organization and enable unknown protein characterization.