The centrosome is the primary microtubule organizing center of the cells and templates the formation of cilia, thereby operating at a nexus of critical cellular functions. Here, we use proximity-dependent biotinylation (BioID) to map the centrosome-cilium interface; with 58 bait proteins we generate a protein topology network comprising >7,000 interactions. Analysis of interaction profiles coupled with high resolution phenotypic profiling implicates a number of protein modules in centriole duplication, ciliogenesis, and centriolar satellite biogenesis and highlights extensive interplay between these processes. By monitoring dynamic changes in the centrosome-cilium protein interaction landscape during ciliogenesis, we also identify satellite proteins that support cilia formation. Systematic profiling of proximity interactions combined with functional analysis thus provides a rich resource for better understanding human centrosome and cilia biology. Similar strategies may be applied to other complex biological structures or pathways.

Compartmentalization is a defining characteristic of eukaryotic cells, and partitions distinct biochemical processes into discrete subcellular locations. Microscopy1 and biochemical fractionation coupled with mass spectrometry2-4 have defined the proteomes of a variety of different organelles, but many intracellular compartments have remained refractory to such approaches. Proximity-dependent biotinylation techniques such as BioID provide an alternative approach to define the composition of cellular compartments in living cells5-7. Here we present a BioID-based map of a human cell on the basis of 192 subcellular markers, and define the intracellular locations of 4,145 unique proteins in HEK293 cells. Our localization predictions exceed the specificity of previous approaches, and enabled the discovery of proteins at the interface between the mitochondrial outer membrane and the endoplasmic reticulum that are crucial for mitochondrial homeostasis. On the basis of this dataset, we created humancellmap.org as a community resource that provides online tools for localization analysis of user BioID data, and demonstrate how this resource can be used to understand BioID results better.

Compartmentalization is an essential characteristic of eukaryotic cells, ensuring that cellular processes are partitioned to defined subcellular locations. High throughput microscopy and biochemical fractionation coupled with mass spectrometry have helped to define the proteomes of multiple organelles and macromolecular structures. However, many compartments have remained refractory to such methods, partly due to lysis and purification artefacts and poor subcompartment resolution. Recently developed proximity-dependent biotinylation approaches such as BioID and APEX provide an alternative avenue for defining the composition of cellular compartments in living cells. Here we report an extensive BioID-based proximity map of a human cell, comprising 192 markers from 32 different compartments that identifies 35,902 unique high confidence proximity interactions and localizes 4,145 proteins expressed in HEK293 cells. The recall of our localization predictions is on par with or better than previous large-scale mass spectrometry and microscopy approaches, but with higher localization specificity. In addition to assigning compartment and subcompartment localization for many previously unlocalized proteins, our data contain fine- grained localization information that, for example, allowed us to identify proteins with novel roles in mitochondrial dynamics. As a community resource, we have created humancellmap.org, a website that allows exploration of our data in detail, and aids with the analysis of BioID experiments.