Abstract Viral proteins make extensive use of short peptide interaction motifs to hijack cellular host factors. However, current methods do not identify this important class of protein-protein interactions. Uncovering peptide mediated interactions provides both a molecular understanding of viral interactions with their host and the foundation for developing novel antiviral reagents. Here we describe a scalable viral peptide discovery approach covering 229 RNA viruses that provides high resolution information on direct virus-host interactions. We identify 269 peptide-based interactions for 18 coronaviruses including a specific interaction between the human G3BP1/2 proteins and an ΦxFG peptide motif in the SARS-CoV-2 nucleocapsid (N) protein. This interaction supports viral replication and through its ΦxFG motif N rewires the G3BP1/2 interactome to disrupt stress granules. A peptide-based inhibitor disrupting the G3BP1/2-N interaction blocks SARS-CoV-2 infection showing that our results can be directly translated into novel specific antiviral reagents.

Viruses interact with numerous host factors to facilitate viral replication and to dampen antiviral defense mechanisms. We currently have a limited mechanistic understanding of how SARS-CoV-2 binds host factors and the functional role of these interactions. Here, we uncover a novel interaction between the viral NSP3 protein and the fragile X mental retardation proteins (FMRPs: FMR1 and FXR1-2). SARS-CoV-2 NSP3 mutant viruses preventing FMRP binding have attenuated replication in vitro and have delayed disease onset in vivo. We show that a unique peptide motif in NSP3 binds directly to the two central KH domains of FMRPs and that this interaction is disrupted by the I304N mutation found in a patient with fragile X syndrome. NSP3 binding to FMRPs disrupts their interaction with the stress granule component UBAP2L through direct competition with a peptide motif in UBAP2L to prevent FMRP incorporation into stress granules. Collectively, our results provide novel insight into how SARS-CoV-2 hijacks host cell proteins for efficient infection and provides molecular insight to the possible underlying molecular defects in fragile X syndrome.

Abstract Phosphorylation is an extensively studied post-translation modification that regulates protein function by promoting, inhibiting or modulating protein-protein interactions. Deciphering which of the hundreds of thousands of phosphosites in the proteome that regulate interactions remains challenging. We generated a proteomic peptide-phage display (ProP-PD) library to screen for phosphosites that regulate short linear motif-based interactions. The phage peptidome covers 13,500 phospho-serine/threonine sites found in the intrinsically disordered regions of the human proteome, each phosphosite being represented as a wildtype and a phosphomimetic variant. We screened 73 modular domains and identified 252 putative phospho-modulated interactions. Affinity measurements confirmed the phosphomodulation of 16 out of 21 tested interactions. We discovered a novel phospho-dependent interaction between clathrin and the mitotic spindle protein hepatoma-upregulated protein (HURP). We validated the phospho-dependent clathrin interaction in a cellular context and found it to be essential for the mitotic function of HURP. Structural characterisation elucidated the molecular basis for the phospho-dependency of the clathrin-HURP interaction. Collectively, our work showcases the power of phosphomimetic ProP-PD to discover novel phospho-modulated SLiM-based interactions required for cellular function.

Abstract The PP2A-B55 phosphatase regulates a plethora of signaling pathways throughout eukaryotes. How PP2A-B55 selects its substrates presents a severe knowledge gap. By integrating AlphaFold modelling with comprehensive high resolution mutational scanning, we show that α-helices in substrates bind B55 through an evolutionary conserved mechanism. Despite a large diversity in sequence and composition, these α-helices share key amino acid determinants that engage discrete hydrophobic and electrostatic patches. Using deep learning protein design, we generate a specific and potent competitive peptide inhibitor of PP2A-B55 substrate interactions. With this inhibitor, we uncover that PP2A-B55 regulates the nuclear exosome targeting complex by binding to an α-helical recruitment module in RBM7. Collectively, our findings provide a framework for the understanding and interrogation of PP2A-B55 in health and disease. One sentence summary α-helices in PP2A-B55 substrates bind a conserved pocket on B55 through a common mechanism that is conserved in eukaryotes.

Tight regulation of the APC/C-Cdc20 ubiquitin ligase that targets Cyclin B1 for degradation is important for mitotic fidelity. The spindle assembly checkpoint (SAC) inhibits Cdc20 through the mitotic checkpoint complex (MCC). In addition, phosphorylation of Cdc20 by Cyclin B1-Cdk1 independently inhibits APC/C-Cdc20 activation. This creates a conundrum for how Cdc20 gets activated prior to Cyclin B1 degradation. Here we show that the MCC component BubR1 harbours both Cdc20 inhibition and activation activities, allowing for cross-talk between the two Cdc20 inhibition pathways. Specifically BubR1 acts as a substrate specifier for PP2A-B56 to enable efficient Cdc20 dephosphorylation in the MCC. A mutant Cdc20 mimicking the dephosphorylated state escapes a mitotic checkpoint arrest arguing that restricting Cdc20 dephosphorylation to the MCC is important. Collectively our work reveals how Cdc20 can be dephosphorylated in the presence of Cyclin B1-Cdk1 activity without causing premature anaphase onset.

Abstract Phosphoprotein phosphatases (PPPs) dephosphorylate Serine (Ser)/Threonine (Thr) residues to regulate major signaling pathways and cellular transitions. Despite the central role of PPPs the substrates in most cellular processes and the determinants of phosphatase specificity are poorly understood. This is because methods to investigate this at scale are lacking. Here we develop a novel in vitro assay, MRBLE:Dephos, that allows multiplexing of dephosphorylation reactions to determine phosphatase preferences. Using MRBLE:Dephos, we establish amino acid preferences of the residues surrounding the dephosphorylation site for PP1 and PP2A- B55, which reveals common and unique preferences for the two phosphatases. To compare the MRBLE:Dephos results to cellular substrates, we focused on mitotic exit that requires extensive dephosphorylation by PP1 and PP2A-B55. We use specific inhibition of PP1 and PP2A-B55 in mitotic exit lysates coupled with quantitative phosphoproteomics to identify more than 2000 regulated phosphorylation sites. Importantly, the sites dephosphorylated during mitotic exit reveal key signatures that are consistent with the MRBLE:Dephos results. We use these insights to specifically alter INCENP dephosphorylation kinetics at mitotic exit, resulting in defective cytokinesis thus underscoring the biological relevance of our determined specificity principles. Finally, we provide a comprehensive characterization of PP1 binding motifs and demostrate how binding of phosphatases to substrates shapes dephosphorylation specificity. Collectively, we develop novel approaches to advance our ability to investigate protein phosphatases and use these to provide a framework for understanding mitotic exit regulation by dephosphorylation.

Accurate chromosome segregation is coordinated by the spindle assembly checkpoint (SAC) through its effector the mitotic checkpoint complex (MCC), to inhibit the anaphase-promoting complex or cyclosome (APC/C). Cdc20 is an essential mitotic regulator since it promotes mitotic exit through activating the APC/C and monitors kinetochore-microtubule attachment through activating the SAC. The proper functioning of Cdc20 requires multiple interactions with APC/C and MCC subunits. To functionally assess each of these interactions within cells requires efficient depletion of endogenous Cdc20, which is highly difficult to achieve by RNAi. Here we generated Cdc20 RNAi sensitive cell lines by CRISPR/Cas9 which display a penetrant metaphase arrest phenotype by a single RNAi treatment. In this null background, we accurately measured the contribution of each known motif of Cdc20 on APC/C and SAC activation. The CRY box, a previously identified degron was found to be critical for the SAC by promoting the MCC formation and stabilizing the interaction between the MCC and APC/C. These data reveal additional regulatory components within the SAC and establish a novel method to interrogate Cdc20 function.