We report a comprehensive proteogenomics analysis, including whole-genome sequencing, RNA sequencing, and proteomics and phosphoproteomics profiling, of 218 tumors across 7 histological types of childhood brain cancer: low-grade glioma (n = 93), ependymoma (32), high-grade glioma (25), medulloblastoma (22), ganglioglioma (18), craniopharyngioma (16), and atypical teratoid rhabdoid tumor (12). Proteomics data identify common biological themes that span histological boundaries, suggesting that treatments used for one histological type may be applied effectively to other tumors sharing similar proteomics features. Immune landscape characterization reveals diverse tumor microenvironments across and within diagnoses. Proteomics data further reveal functional effects of somatic mutations and copy number variations (CNVs) not evident in transcriptomics data. Kinase-substrate association and co-expression network analysis identify important biological mechanisms of tumorigenesis. This is the first large-scale proteogenomics analysis across traditional histological boundaries to uncover foundational pediatric brain tumor biology and inform rational treatment selection.

Abstract Polycomb Repressive Complex (PRC) 1 and 2 are histone-modifying and chromatin-binding complexes that are required for silencing of developmental regulatory genes and genes that control cellular proliferation. Their gene silencing functions are thought to involve chromatin compaction and condensate formation but whether other mechanisms contribute to silencing is unknown. Here we show that the rixosome, a conserved RNA degradation complex with roles in ribosomal RNA processing and heterochromatic RNA degradation in fission yeast, associates with human PRC complexes, is recruited to promoters of Polycomb target genes in differentiated cell lines and embryonic stem cells, and is required for efficient silencing of Polycomb target genes. These findings reveal an unanticipated role for RNA degradation in Polycomb-mediated silencing.

ABSTRACT The eukaryotic cell is a multi-scale structure with modular organization across at least four orders of magnitude 1,2 . Two central approaches for mapping this structure – protein fluorescent imaging and protein biophysical association – each generate extensive datasets but of distinct qualities and resolutions that are typically treated separately 3,4 . Here, we integrate immunofluorescent images in the Human Protein Atlas 5 with ongoing affinity purification experiments from the BioPlex resource 6 to create a unified hierarchical map of eukaryotic cell architecture. Integration involves configuring each approach to produce a general measure of protein distance, then calibrating the two measures using machine learning. The evolving map, called the Multi-Scale Integrated Cell (MuSIC 1.0), currently resolves 69 subcellular systems of which approximately half are undocumented. Based on these findings we perform 134 additional affinity purifications, validating close subunit associations for the majority of systems. The map elucidates roles for poorly characterized proteins, such as the appearance of FAM120C in chromatin; identifies new protein assemblies in ribosomal biogenesis, RNA splicing, nuclear speckles, and ion transport; and reveals crosstalk between cytoplasmic and mitochondrial ribosomal proteins. By integration across scales, MuSIC substantially increases the mapping resolution obtained from imaging while giving protein interactions a spatial dimension, paving the way to incorporate many molecular data types in proteome-wide maps of cells.

ABSTRACT The primary cilium is a signaling compartment that interprets Hedgehog signals through changes of its protein, lipid and second messenger compositions. Here, we combine proximity labeling of cilia with quantitative mass spectrometry to unbiasedly profile the time-dependent alterations of the ciliary proteome in response to Hedgehog. This approach correctly identifies the three factors known to undergo Hedgehog-regulated ciliary redistribution and reveals two such additional proteins. First, we find that a regulatory subunit of the cAMP-dependent protein kinase (PKA) rapidly exits cilia together with the G protein-coupled receptor GPR161 in response to Hedgehog; and we propose that the GPR161/PKA module senses and amplifies cAMP signals to modulate ciliary PKA activity. Second, we identify the putative phosphatase Paladin as a cell type-specific regulator of Hedgehog signaling that enters primary cilia upon pathway activation. The broad applicability of quantitative ciliary proteome profiling promises a rapid characterization of ciliopathies and their underlying signaling malfunctions.

Abstract NLRP1 is a cytosolic inflammasome sensor that mediates activation of caspase-1, which in turn induces cytokine maturation and pyroptotic cell death 1-6 . Gain-of-function NLPR1 mutations cause skin inflammatory diseases including carcinoma, keratosis, and papillomatosis 7-14 . NLRP1 contains a unique function-to-find domain (FIIND) that autoproteolyzes into noncovalently associated subdomains 15-18 . Proteasomal degradation of the autoinhibitory N-terminal fragment (NT) activates NLRP1 by releasing the inflammatory C-terminal fragment (CT) 19,20 . Cytosolic dipeptidyl peptidases 8 and 9 (DPP8/9) interact with NLRP1, and small-molecule DPP8/9 inhibitors activate NLRP1 by poorly characterized mechanisms 11,19,21 . Here, we report cryo-EM structures of the human NLRP1-DPP9 complex, alone and in complex with the DPP8/9 inhibitor Val-boroPro (VbP). Surprisingly, the NLRP1-DPP9 complex is a ternary complex comprised of DPP9, one intact FIIND of a non-degraded full-length NLRP1 (NLRP1-FL) and one NLRP1-CT freed by NT degradation. The N-terminus of the NLRP1-CT unfolds and inserts into the DPP9 active site but is not cleaved by DPP9, and this binding is disrupted by VbP. Structure-based mutagenesis reveals that the binding of NLRP1-CT to DPP9 requires NLRP1-FL and vice versa, and inflammasome activation by ectopic NLRP1-CT expression is rescued by co-expressing autoproteolysis-deficient NLRP1-FL. Collectively, these data indicate that DPP9 functions as a “bomb-diffuser” to prevent NLRP1-CTs from inducing inflammation during homeostatic protein turnover.

ABSTRACT The conformational stability of the proteome has tremendous implications for the health of the cell and its capacity to determine longevity or susceptibility to age-associated degenerative diseases. For humans, this question of proteome conformational stability has the additional complexity from non-synonymous mutations in thousands of protein coding genes challenging the capacity of the proteostasis network to properly fold, transport, assemble and degrade proteins. Here, we quantify the proteome-wide capacity to such challenges using the isogenic organism Caenorhabditis elegans by examining the dynamics of global proteome conformational stability in animals expressing different temperature-sensitive (ts) proteins or short polyglutamine (polyQ) expansions in the context of biological aging. Using limited proteolysis of native extracts together with tandem mass tag-based quantitative proteomics, we identify proteins that become metastable under these conditions and monitor the effects on proteome solubility and abundance. Expression of different mutant proteins in the same tissue identifies hundreds to a thousand proteins that become metastable affecting multiple compartments and processes in a cell autonomous and non-autonomous manner. Comparison of the network of metastable proteins, however, reveals only a small number of common proteins. The most dramatic effects on global proteome dynamics occur in aging with one-third of the proteome undergoing conformational changes in early adulthood. These age-dependent metastable proteins overlap substantially with ts proteins and polyQ; moreover, expression of polyQ accelerates the aging phenotype. Together, these results reveal that the proteome responds to misfolding one-at-a-time to generate a metastable sub-proteome network with features of a fingerprint for which aging is the dominant determinant of proteome metastability.

Abstract SHP2 is a protein tyrosine phosphatase that normally potentiates intracellular signaling by growth factors, antigen receptors, and some cytokines; it is frequently mutated in childhood leukemias and other cancers. Here, we examine the role of SHP2 in the responses of breast cancer cells to EGF by monitoring phosphoproteome dynamics when SHP2 is allosterically inhibited by the small molecule SHP099. Data on phosphotyrosine abundance at more than 400 tyrosine residues reveals six distinct response signatures following SHP099 treatment and washout. These include putative substrate sites with increased phosphotyrosine abundance at early or late timepoints, and another class of sites that shows reduced phosphotyrosine abundance when SHP099 is present. Sites of decreased phospho-abundance are enriched on proteins with two nearby phosphotyrosine residues, which can be directly protected from dephosphorylation by the paired SH2 domains of SHP2 itself. These findings highlight how analysis of phosphoproteomic dynamics can provide insight into transmembrane signaling responses.

Proteins constitute much of the structure and functional machinery of cells, forming signaling networks, metabolic pathways, and large multi-component complexes. Protein abundance is regulated at multiple levels spanning transcription, translation, recycling, and degradation to maintain proper balance and optimal function. To better understand how protein abundances are maintained across varying genetic backgrounds, we analyzed liver proteomes of three genetically diverse mouse populations. We observe strong concordance of genetic and sex effects across populations. Differences between the populations arise from the contributions of additive, dominance, and epistatic components of heritable variation. We find that the influence of genetic variation on proteins that form complexes relates to their co-abundance. We identify effects on protein abundance from mutations that arose and became fixed during breeding and can lead to unique regulatory responses and disease states. Genetically diverse mouse populations provide powerful tools for understanding proteome regulation and its relationship to whole-organism phenotypes.

ABSTRACT The current COVID-19 pandemic highlights the need for broad-spectrum antiviral therapeutics. Here we describe a new class of self-assembling immunostimulatory short duplex RNAs that potently induce production of type I and type III interferon (IFN-I and IFN-III), in a wide range of human cell types. These RNAs require a minimum of 20 base pairs, lack any sequence or structural characteristics of known immunostimulatory RNAs, and instead require a unique conserved sequence motif (sense strand: 5’-C, antisense strand: 3’-GGG) that mediates end-to-end dimer self-assembly of these RNAs by Hoogsteen G-G base-pairing. The presence of terminal hydroxyl or monophosphate groups, blunt or overhanging ends, or terminal RNA or DNA bases did not affect their ability to induce IFN. Unlike previously described immunostimulatory siRNAs, their activity is independent of TLR7/8, but requires the RIG-I/IRF3 pathway that induces a more restricted antiviral response with a lower proinflammatory signature compared with poly(I:C). Immune stimulation mediated by these duplex RNAs results in broad spectrum inhibition of infections by many respiratory viruses with pandemic potential, including SARS-CoV-2, SARS-CoV, MERS-CoV, and influenza A, as well as the common cold virus HCoV-NL63 in both cell lines and human Lung Chips that mimic organ-level lung pathophysiology. These short dsRNAs can be manufactured easily, and thus potentially could be harnessed to produce broad-spectrum antiviral therapeutics at low cost.

In eukaryotes, the Suv39 family of proteins tri-methylate lysine 9 of histone H3 (H3K9me) to form constitutive heterochromatin. However, how Suv39 proteins are nucleated at heterochromatin is not fully described. In the fission yeast, current models posit that Argonaute1-associated small RNAs (sRNAs) nucleate the sole H3K9 methyltransferase, Clr4/SUV39H, to centromeres. Here, we show that in the absence of all sRNAs and H3K9me, the Mtl1 and Red1 core (MTREC)/PAXT complex nucleates Clr4/SUV39H at a heterochromatic long noncoding RNA (lncRNA) at which the two H3K9 deacetylases, Sir2 and Clr3, also accumulate by distinct mechanisms. Iterative cycles of H3K9 deacetylation and methylation spread Clr4/SUV39H from the nucleation center in an sRNA-independent manner, generating a basal H3K9me state. This is acted upon by the RNAi machinery to augment and amplify the Clr4/H3K9me signal at centromeres to establish heterochromatin. Overall, our data reveal that lncRNAs and RNA quality control factors can nucleate heterochromatin and function as epigenetic silencers in eukaryotes.