Abstract We present Slice-PASEF, a novel mass spectrometry technology based on trapped ion mobility separation of ions. Slice-PASEF allows to achieve the theoretical maximum of MS/MS sensitivity and boosts proteomics of low sample amounts. Leveraging Slice-PASEF, we show, for the first time, that comprehensive profiling of single cell-level peptide amounts is possible using ultra-fast microflow chromatography and a general-purpose mass spectrometer, allowing quantification of 1417 proteins from 200 picograms of a HeLa cell peptide standard on an Evosep One LC system coupled to a timsTOF Pro 2, at a 200 samples per day throughput. We implemented a Slice-PASEF module in our DIA-NN data processing software, to make it readily available for the proteomics community.

Abstract Structural biology performed inside cells can capture molecular machines in action within their native context. Here we develop an integrative in-cell structural approach using the genome-reduced human pathogen Mycoplasma pneumoniae . We combine whole-cell crosslinking mass spectrometry, cellular cryo-electron tomography, and integrative modeling to determine an in-cell architecture of a transcribing and translating expressome at sub-nanometer resolution. The expressome comprises RNA polymerase (RNAP), the ribosome, and the transcription elongation factors NusG and NusA. We pinpoint NusA at the interface between a NusG-bound elongating RNAP and the ribosome, and propose it could mediate transcription-translation coupling. Translation inhibition dissociates the expressome, whereas transcription inhibition stalls and rearranges it, demonstrating that the active expressome architecture requires both translation and transcription elongation within the cell.

Crosslinking mass spectrometry is widening its scope from structural analyzes of purified multi-protein complexes towards systems-wide analyzes of protein-protein interactions. Assessing the error in these large datasets is currently a challenge. Using a controlled large-scale analysis of Escherichia coli cell lysate, we demonstrate a reliable false-discovery rate estimation procedure for protein-protein interactions identified by crosslinking mass spectrometry.

Abstract Crosslinking mass spectrometry (Crosslinking MS) has developed into a robust technique that is increasingly used to investigate the interactomes of organelles and cells. However, the incomplete and noisy information in the spectra limits the numbers of protein-protein interactions (PPIs) that can be confidently identified. Here, we successfully leveraged chromatographic retention time (RT) information to aid the identification of crosslinked peptides from spectra. Our Siamese machine learning model xiRT achieved highly accurate RT predictions of crosslinked peptides in a multi-dimensional separation of crosslinked E. coli lysate. We combined strong cation exchange (SCX), hydrophilic strong anion exchange (hSAX) and reversed-phase (RP) chromatography and reached R 2 0.94 in RP and a margin of error of 1 fraction for hSAX in 94%, and SCX in 85% of the predictions. Importantly, supplementing the search engine score with retention time features led to a 1.4-fold increase in PPIs at a 1% false discovery rate. We also demonstrate the value of this approach for the more routine analysis of a crosslinked multiprotein complexes. An increase of 1.7-fold in heteromeric crosslinked residue-pairs was achieved at 1% residue-pair FDR for Fanconi anaemia monoubiquitin ligase complex, solely using reversed-phase RT. Retention times are a powerful complement to mass spectrometric information to increase the sensitivity of Crosslinking MS analyses.

Proteins are comprised of structured domains and dynamic regions, and both are essential for biological function. However, studying dynamic regions is challenging using most structural biology methods, including crosslinking mass spectrometry. Here, we dramatically improve the usefulness of distance restraints from crosslinking MS by taking advantage of short-lived reactive species generated from diazirine-based photo-crosslinking. This leads to a clear view of complex topologies and conformational changes, including in dynamic regions. We demonstrate that photo-crosslinking MS data can be used to model flexible regions and conformational changes in the DNA repair complexes; Fanconi Anemia core complex and FANCD2-FANCI. In addition, we obtain new insights into the architecture and arrangement of the highly flexible CCR4-NOT mRNA deadenylation complex. The improved contrast of photo-crosslinking empowers structural biology by providing clearer structural insights into dynamic biological systems that have eluded other structural biology approaches.

Abstract Viruses have evolved means to manipulate the host’s ubiquitin-proteasome system, in order to down-regulate antiviral host factors. The Vpx/Vpr family of lentiviral accessory proteins usurp the substrate receptor DCAF1 of host Cullin4-RING ligases (CRL4), a family of modular ubiquitin ligases involved in DNA replication, DNA repair and cell cycle regulation. CRL4 DCAF1 specificity modulation by Vpx and Vpr from certain simian immunodeficiency viruses (SIV) leads to recruitment, poly-ubiquitylation and subsequent proteasomal degradation of the host restriction factor SAMHD1, resulting in enhanced virus replication in differentiated cells. To unravel the mechanism of SIV Vpr-induced SAMHD1 ubiquitylation, we conducted integrative biochemical and structural analyses of the Vpr protein from SIVs infecting Cercopithecus cephus (SIV mus ). X-ray crystallography reveals commonalities between SIV mus Vpr and other members of the Vpx/Vpr family with regard to DCAF1 interaction, while cryo-electron microscopy and cross-linking mass spectrometry highlight a divergent molecular mechanism of SAMHD1 recruitment. In addition, these studies demonstrate how SIV mus Vpr exploits the dynamic architecture of the multi-subunit CRL4 DCAF1 assembly to optimise SAMHD1 ubiquitylation. Together, the present work provides detailed molecular insight into variability and species-specificity of the evolutionary arms race between host SAMHD1 restriction and lentiviral counteraction through Vpx/Vpr proteins. Author summary Due to the limited size of virus genomes, virus replication critically relies on host cell components. In addition to the host cell’s energy metabolism and its DNA replication and protein synthesis apparatus, the protein degradation machinery is an attractive target for viral re-appropriation. Certain viral factors divert the specificity of host ubiquitin ligases to antiviral host factors, in order to mark them for destruction by the proteasome, to lift intracellular barriers to virus replication. Here, we present molecular details of how the simian immunodeficiency virus accessory protein Vpr interacts with a substrate receptor of host Cullin4-RING ubiquitin ligases, and how this interaction redirects the specificity of Cullin4-RING to the antiviral host factor SAMHD1. The studies uncover the mechanism of Vpr-induced SAMHD1 recruitment and subsequent ubiquitylation. Moreover, by comparison to related accessory proteins from other immunodeficiency virus species, we illustrate the surprising variability in the molecular strategies of SAMHD1 counteraction, which these viruses adopted during evolutionary adaptation to their hosts. Lastly, our work also provides deeper insight into the inner workings of the host’s Cullin4-RING ubiquitylation machinery.

Abstract Mass spectrometry-based proteomics has been rapidly gaining traction as a powerful analytical method both in basic research and translation. While the problem of error control in peptide and protein identification has been addressed extensively, the quality of the resulting quantities remains challenging to evaluate. Here we introduce QuantUMS ( Quant ification using an U ncertainty M inimising S olution), a machine learning-based method which minimises errors and eliminates bias in peptide and protein quantification by integrating multiple sources of quantitative information. In combination with data-independent acquisition proteomics, QuantUMS boosts accuracy and precision of quantities, as well as reports an uncertainty metric, enabling effective filtering of data for downstream analysis. The algorithm has linear complexity with respect to the number of mass spectrometry acquisitions in the experiment and is thus scalable to infinitely large proteomic experiments. For an easy implementation in a proteomics laboratory, we integrate QuantUMS in our automated DIA-NN software suite.

Abstract Proteome-wide crosslinking mass spectrometry studies have coincided with the advent of MS-cleavable crosslinkers that can reveal the individual masses of the two crosslinked peptides. However, recently such studies have also been published with non-cleavable crosslinkers suggesting that MS-cleavability is not essential. We therefore examined in detail the advantages and disadvantages of using the most popular MS-cleavable crosslinker, DSSO. Indeed, DSSO gave rise to signature peptide fragments with a distinct mass difference (doublet) for nearly all identified crosslinked peptides. Surprisingly, we could show that it was not these peptide masses that proved the main advantage of MS-cleavability of the crosslinker, but improved peptide backbone fragmentation that allowed for more confident peptide identification. We also show that the more intricate MS3-based data acquisition approaches lack sensitivity and specificity, causing them to be outperformed by the simpler and faster stepped HCD method. This understanding will guide future developments and applications of proteome-wide crosslinking mass spectrometry.

Structural maintenance of chromosomes (SMC)-kleisin complexes organize chromosomal DNAs in all domains of life, where they have key roles in chromosome segregation, DNA repair and regulation of gene expression. They function through topological entrapment and active translocation of DNA, but the underlying conformational changes are largely unclear. Using structural biology, mass spectrometry and cross-linking, we investigated the architecture of two evolutionarily distant SMC-kleisin complexes: proteobacterial MukBEF and eukaryotic cohesin. We show that both contain a dynamic coiled-coil discontinuity, the elbow, near the middle of their arms that permits a folded conformation. Bending at the elbow brings into proximity the hinge dimerization domain and the head/kleisin module, situated at opposite ends of the arms. Our findings favor SMC activity models that include a large conformational change in the arms, such as a relative movement between DNA contact sites during DNA loading and translocation.

Organofluorine compounds are toxic to various living beings in different habitats. On the other hand, fluorine incorporation into single proteins via related amino acid analogues has become common practice in protein engineering. Thus, an essential question remains: can fluorinated amino acids generally be used as xeno-nutrients to build up biomass, or do large amounts of fluorine in the cells render them nonviable? To gain information about the effect of long-term exposure of a cellular proteome to fluorinated organic compounds, we constructed an experiment based on bacterial adaptation in artificial fluorinated habitats. We propagated Escherichia coli ( E. coli ) in the presence of either 4- or 5-fluoroindole as essential precursors for the in situ synthesis of tryptophan (Trp) analogues. We found that full adaptation requires astonishingly few genetic mutations but is accompanied by large rearrangements in regulatory networks, membrane integrity and quality control of protein folding. These findings highlight the cellular mechanisms of the evolutionary adaption process to unnatural amino acids and provide the molecular foundation for novel and innovative bioengineering of microbial strains with potential for biotechnological applications.