Transcription and metabolism both influence cell function, but dedicated transcriptional control of metabolic pathways that regulate cell fate has rarely been defined. We discovered, using a chemical suppressor screen, that inhibition of the pyrimidine biosynthesis enzyme dihydroorotate dehydrogenase (DHODH) rescues erythroid differentiation in bloodless zebrafish moonshine (mon) mutant embryos defective for transcriptional intermediary factor 1 gamma (tif1γ). This rescue depends on the functional link of DHODH to mitochondrial respiration. The transcription elongation factor TIF1γ directly controls coenzyme Q (CoQ) synthesis gene expression. Upon tif1γ loss, CoQ levels are reduced, and a high succinate/α-ketoglutarate ratio leads to increased histone methylation. A CoQ analog rescues mon's bloodless phenotype. These results demonstrate that mitochondrial metabolism is a key output of a lineage transcription factor that drives cell fate decisions in the early blood lineage.

T cell-mediated immunity may play a critical role in controlling and establishing protective immunity against SARS-CoV-2 infection; yet the repertoire of viral epitopes responsible for T cell response activation remains mostly unknown. Identification of viral peptides presented on class I human leukocyte antigen (HLA-I) can reveal epitopes for recognition by cytotoxic T cells and potential incorporation into vaccines. Here, we report the first HLA-I immunopeptidome of SARS-CoV-2 in two human cell lines at different times post-infection using mass spectrometry. We found HLA-I peptides derived not only from canonical ORFs, but also from internal out-of-frame ORFs in Spike and Nucleoprotein not captured by current vaccines. Proteomics analyses of infected cells revealed that SARS-CoV-2 may interfere with antigen processing and immune signaling pathways. Based on the endogenously processed and presented viral peptides that we identified, we estimate that a pool of 24 peptides would provide one or more peptides for presentation by at least one HLA allele in 99% of the human population. These biological insights and the list of naturally presented SARS-CoV-2 peptides will facilitate data-driven selection of peptides for immune monitoring and vaccine development.

ABSTRACT SARS-CoV-2 infections pose a global threat to human health and an unprecedented research challenge. Among the most urgent tasks is obtaining a detailed understanding of the molecular interactions that facilitate viral replication or contribute to host defense mechanisms in infected cells. While SARS-CoV-2 co-opts cellular factors for viral translation and genome replication, a comprehensive map of the host cell proteome in direct contact with viral RNA has not been elucidated. Here, we use RNA antisense purification and mass spectrometry (RAP-MS) to obtain an unbiased and quantitative picture of the human proteome that directly binds the SARS-CoV-2 RNA in infected human cells. We discover known host factors required for coronavirus replication, regulators of RNA metabolism and host defense pathways, along with dozens of potential drug targets among direct SARS-CoV-2 binders. We further integrate the SARS-CoV-2 RNA interactome with proteome dynamics induced by viral infection, linking interactome proteins to the emerging biology of SARS-CoV-2 infections. Validating RAP-MS, we show that CNBP, a regulator of proinflammatory cytokines, directly engages the SARS-CoV-2 RNA. Supporting the functional relevance of identified interactors, we show that the interferon-induced protein RYDEN suppresses SARS-CoV-2 ribosomal frameshifting and demonstrate that inhibition of SARS-CoV-2-bound proteins is sufficient to manipulate viral replication. The SARS-CoV-2 RNA interactome provides an unprecedented molecular perspective on SARS-CoV-2 infections and enables the systematic dissection of host dependency factors and host defense strategies, a crucial prerequisite for designing novel therapeutic strategies.

Abstract Regular exercise promotes whole-body health and prevents disease, yet the underlying molecular mechanisms throughout a whole organism are incompletely understood. Here, the Molecular Transducers of Physical Activity Consortium (MoTrPAC) profiled the temporal transcriptome, proteome, metabolome, lipidome, phosphoproteome, acetylproteome, ubiquitylproteome, epigenome, and immunome in whole blood, plasma, and 18 solid tissues in Rattus norvegicus over 8 weeks of endurance exercise training. The resulting data compendium encompasses 9466 assays across 19 tissues, 25 molecular platforms, and 4 training time points in young adult male and female rats. We identified thousands of shared and tissue- and sex-specific molecular alterations. Temporal multi-omic and multi-tissue analyses demonstrated distinct patterns of tissue remodeling, with widespread regulation of immune, metabolism, heat shock stress response, and mitochondrial pathways. These patterns provide biological insights into the adaptive responses to endurance training over time. For example, exercise training induced heart remodeling via altered activity of the Mef2 family of transcription factors and tyrosine kinases. Translational analyses revealed changes that are consistent with human endurance training data and negatively correlated with disease, including increased phospholipids and decreased triacylglycerols in the liver. Sex differences in training adaptation were widespread, including those in the brain, adrenal gland, lung, and adipose tissue. Integrative analyses generated novel hypotheses of disease relevance, including candidate mechanisms that link training adaptation to non-alcoholic fatty liver disease, inflammatory bowel disease, cardiovascular health, and tissue injury and recovery. The data and analysis results presented in this study will serve as valuable resources for the broader community and are provided in an easily accessible public repository ( https://motrpac-data.org/ ). Highlights Multi-tissue resource identifies 35,439 analytes regulated by endurance exercise training at 5% FDR across 211 combinations of tissues and molecular platforms. Interpretation of systemic and tissue-specific molecular adaptations produced hypotheses to help describe the health benefits induced by exercise. Robust sex-specific responses to endurance exercise training are observed across multiple organs at the molecular level. Deep multi-omic profiling of six tissues defines regulatory signals for tissue adaptation to endurance exercise training. All data are available in a public repository, and processed data, analysis results, and code to reproduce major analyses are additionally available in convenient R packages.

Abstract Serial multiomic analyses of proteome, phosphoproteome and acetylome provides functional insights into disease pathology and drug effects while conserving precious human material. To date, ubiquitylome and HLA peptidome analyses have required separate samples for parallel processing each using distinct protocols. Here we present MONTE, a highly-sensitive m ulti- o mic n ative t issue e nrichment workflow that enables serial, deepscale analysis of HLA-I and HLA-II immunopeptidome, ubiquitylome, proteome, phosphoproteome and acetylome from the same tissue samples. We demonstrate the capabilities of MONTE in a proof-of-concept study of primary patient lung adenocarcinoma(LUAD) tumors. Depth of coverage and quantitative precision at each of the ‘omes is not compromised by serialization, and the addition of HLA immunopeptidomics enables identification of putative immunotherapeutic targets such as cancer/testis antigens and neoantigens. MONTE can provide insights into disease-specific changes in antigen presentation, protein expression, protein degradation, cell signaling, cross-talk and epigenetic pathways involved in disease pathology and treatment.

Abstract Secreted interorgan communication factors encode key regulators of homeostasis. However, long-standing questions surround their origins/destinations, mechanisms of interactions, and the number of proteins involved. Progress has been hindered by the lack of methodologies for these factors’ large-scale identification and characterization, as conventional approaches cannot identify low-abundance factors and the origins and destinations of secreted proteins. We established an in vivo platform to investigate secreted protein trafficking between organs proteome-wide, whereby engineered promiscuous biotin ligase BirA*G3 (a relative of TurboID) biotinylates all proteins in a subcellular compartment of one tissue, and biotinylated proteins are affinity-enriched and identified from distal organs using quantitative mass spectrometry. Using this platform, we identified 51 putative muscle-secreted proteins from heads and 269 fat body-secreted proteins from legs/muscles, of which 60-70% have human orthologs. We demonstrate, in particular, that conserved fat body-derived novel interorgan communication factors CG31326, CG2145, and CG4332 promote muscle activity. Our results indicate that the communication network of secreted proteins is vast, and we identified systemic functions for a number of these factors. This approach is widely applicable to studies in interorgan, local and intracellular protein trafficking networks, non-conventional secretion, and to mammalian systems, under healthy or diseased states. One Sentence Summary We developed an in vivo platform to investigate protein trafficking between organs proteome-wide, provide a resource for interorgan communication factors, and determined conserved adipokines that affect muscles.

Abstract The activation or repression of a gene’s expression is primarily controlled by changes in the proteins that occupy its regulatory elements. The most common method to identify proteins associated with genomic loci is chromatin immunoprecipitation (ChIP). While having greatly advanced our understanding of gene expression regulation, ChIP requires specific, high quality, IP-competent antibodies against nominated proteins, which can limit its utility and scope for discovery. Thus, a method able to discover and identify proteins associated with a particular genomic locus within the native cellular context would be extremely valuable. Here, we present a novel technology combining recent advances in chemical biology, genome targeting, and quantitative mass spectrometry to develop genomic locus proteomics, a method able to identify proteins which occupy a specific genomic locus.

SUMMARY Schizophrenia disease mechanisms remain poorly understood, in large part due to a lack of valid animal models. Rare heterozygous loss-of-function mutations in GRIN2A , encoding a subunit of the NMDA (N-methyl-d-aspartate) receptor, greatly increase the risk of schizophrenia. By transcriptomic, proteomic, electroencephalogram (EEG) recording and behavioral analysis, we report that heterozygous Grin2a mutant mice show: (i) large-scale gene expression changes across multiple brain regions and in neuronal (excitatory and inhibitory) and non-neuronal cells (astrocytes, oligodendrocytes); (ii) evidence of reduced activity in prefrontal cortex and increased activity in hippocampus and striatum; (iii) elevated dopamine signaling in striatum; (iv) altered cholesterol biosynthesis in astrocytes; (v) reduction of glutamatergic receptor signalin g proteins in the synapse; (iv) heightened gamma oscillation power in EEG; (vi) aberrant locomotor behavioral pattern opposite of that induced by antipsychotic drugs. These findings reveal potential pathophysiologic mechanisms, provide support for both the “hypo-glutamate” and “hyper-dopamine” hypotheses of schizophrenia, and underscore the utility of Grin2a -deficient mice as a new genetic model of schizophrenia.

Abstract STING is an intracellular sensor of cyclic di-nucleotides involved in response to pathogen- or self-derived DNA that induces protective immunity, or if dysregulated, autoimmunity. STING trafficking is tightly linked to its activity. We aimed to systematically characterize genes regulating STING trafficking and to define their impact on STING responses. Based on proximity-ligation proteomics and genetic screens, an ESCRT complex containing HGS, VPS37A and UBAP1 was found to be required for STING degradation and signaling shutdown. Analogous to phosphorylated STING creating a platform for IRF3 recruitment, oligomerization-driven STING ubiquitination by UBE2N formed a platform for ESCRT recruitment at the endosome, responsible for STING signaling shutdown. A UBAP1 mutant that underlies human spastic paraplegia and disrupts ESCRT function led to STING-dependent type I IFN responses at the steady-state, defining ESCRT as a homeostatic regulator of STING signaling.

ABSTRACT Homeostatic synaptic plasticity requires widespread remodeling of synaptic signaling and scaffolding networks, but the role of posttranslational modifications in this process has not been systematically studied. Using deepscale, quantitative analysis of the phosphoproteome in mouse neocortical neurons, we found wide-spread and temporally complex changes during synaptic scaling up and down. We observed 424 bidirectionally modulated phosphosites that were strongly enriched for synapse-associated proteins, including S1539 in the ASD-associated synaptic scaffold protein Shank3. Using a parallel proteomic analysis performed on Shank3 isolated from rat neocortical neurons by immunoaffinity, we identified two sites that were hypo-phosphorylated during scaling up and hyper-phosphorylated during scaling down: one (rat S1615) that corresponded to S1539 in mouse, and a second highly conserved site, rat S1586. The phosphorylation status of these sites modified the synaptic localization of Shank3 during scaling protocols, and dephosphorylation of these sites via PP2A activity was essential for the maintenance of synaptic scaling up. Finally, phosphomimetic mutations at these sites prevented scaling up but not down, while phosphodeficient mutations prevented scaling down but not up. Thus, an activity-dependent switch between hypo- and hyperphosphorylation at S1586/ S1615 of Shank3 enables scaling up or down, respectively. Collectively our data show that activity-dependent phosphoproteome dynamics are important for the functional reconfiguration of synaptic scaffolds, and can bias synapses toward upward or downward homeostatic plasticity.