Cell size is tightly controlled in healthy tissues, but it is unclear how deviations in cell size affect cell physiology. To address this, we measured how the cell's proteome changes with increasing cell size. Size-dependent protein concentration changes are widespread and predicted by subcellular localization, size-dependent mRNA concentrations, and protein turnover. As proliferating cells grow larger, concentration changes typically associated with cellular senescence are increasingly pronounced, suggesting that large size may be a cause rather than just a consequence of cell senescence. Consistent with this hypothesis, larger cells are prone to replicative, DNA-damage-induced, and CDK4/6i-induced senescence. Size-dependent changes to the proteome, including those associated with senescence, are not observed when an increase in cell size is accompanied by an increase in ploidy. Together, our findings show how cell size could impact many aspects of cell physiology by remodeling the proteome and provide a rationale for cell size control and polyploidization.

Abstract Cell size is tightly controlled in healthy tissues, but it is poorly understood how variations in cell size affect cell physiology. To address this, we employed a high-accuracy mass spectrometry-based approach to measure how the proteome changes with cell size. Protein concentration changes are widespread, measurable in both asynchronous and G1-arrested cell populations, and predicted by subcellular localization, size-dependent changes in mRNA concentrations, and protein turnover. As proliferating cells grow larger, protein concentration changes typically associated with cellular senescence are increasingly pronounced. This suggests that large size is a cause rather than just a consequence of cell senescence. Consistent with this hypothesis, larger cells are prone to replicative, DNA damage-, and CDK4/6i-induced senescence. Size-dependent changes to the proteome, including those associated with senescence, are not observed when an increase in cell size is accompanied by a similar increase in ploidy. This shows that proteome composition is determined by the DNA-to-ploidy ratio rather than cell size per se and that polyploidization is an elegant method to generate large non-senescent cells as is commonly found in nature. Together, our findings show how cell size could impact many aspects of cell physiology through remodeling the proteome, thereby providing a rationale for cell size control and polyploidization.

Abstract Accurate measurements of the molecular composition of single cells will be necessary for understanding the relationship between gene expression and function in diverse cell types. One of the most important phenotypes that differs between cells is their size, which was recently shown to be an important determinant of proteome composition in populations of similarly sized cells. We therefore sought to test if the effects of cell size on protein concentrations were also evident in single cell proteomics data. Using the relative concentrations of a set of reference proteins to estimate a cell’s DNA-to-cell volume ratio, we found that differences in cell size explain a significant amount of cell-to-cell variance in two published single cell proteome datasets.

In their manuscript, Litsios et al. 1 report a new model for how cell growth and biosynthetic activity control the G1/S transition in budding yeast. In essence, Litsios et al. claim that Start is driven by an increasing concentration of the G1 cyclin Cln3 due to a dramatic acceleration of protein synthesis in pre- Start G1 and not by the dilution of the cell cycle inhibitor Whi5. While we previously reported that Start was in part driven by cell growth during G1 diluting out the Start inhibitor Whi5 2 , Litsios et al. report that Whi5 remains at constant concentration during G1, and changes in Whi5 concentration therefore do not contribute to Start . Since Litsios et al. directly contradict several key points of our own model of how cell growth triggers Start , we decided to investigate their claims and data. More specifically, we decided to investigate Litsios et al.’s three major claims: Whi5 concentration remains constant during G1 Cln3 concentration strongly increases prior to Start Global protein synthesis rates increase by 2-3 fold prior to Start We investigated each of these three claims and found that the evidence presented by Litsios et al. does not support their claims due to inadequate analysis methods and flaws in their experiments.

Posttranslational protein modification by ubiquitin (Ub) is a central eukaryotic mechanism that regulates a plethora of physiological processes. Recent studies unveiled an unconventional type of ubiquitination mediated by the SidE family of Legionella pneumophila effectors, such as SdeA, that catalyzes the conjugation of Ub to a serine residue of target proteins via a phosphoribosyl linker (hence named PR-ubiquitination). Comparable to the deubiquitinases (DUBs) in the canonical ubiquitination pathway, here we show that two Legionella effectors, named DupA (deubiquitinase for PR-ubiquitination) and DupB, reverse PR-ubiquitination by specific removal of phosphoribosyl-Ub (PR-Ub) from substrates. Both DupA and DupB are fully capable of rescuing the Golgi fragmentation phenotype caused by exogenous expression of SdeA in mammalian cells. We further show that deletion of these two genes results in significant accumulation of PR-ubiquitinated species in host cells infected with Legionella. In addition, we have identified a list of specific PR-ubiquitinated host targets and show that DupA and DupB play a role in modulating the association of PR-ubiquitinated host targets with Legionella containing vacuoles (LCV). Together, our data establish a complete PR-ubiquitination and deubiquitination cycle and demonstrate the intricate control that Legionella has over this unusual Ub-dependent posttranslational modification.

Phosphorylation is one of the most dynamic and widespread post-translational modifications regulating virtually every aspect of eukaryotic cell biology. Here we present a comprehensive phosphoproteomic dataset for budding yeast, comprised of over 30,000 high confidence phosphorylation sites identified by mass spectrometry. This single dataset nearly doubles the size of the known phosphoproteome in budding yeast and defines a set of cell cycle-regulated phosphorylation events. With the goal of enhancing the identification of functional phosphorylation events, we performed computational positioning of phosphorylation sites on available 3D protein structures and systematically identified events predicted to regulate protein complex architecture. Results reveal a large number of phosphorylation sites mapping to or near protein interaction interfaces, many of which result in steric or electrostatic clashes predicted to disrupt the interaction. Phosphorylation site mutants experimentally validate our predictions and support a role for phosphorylation in negatively regulating protein-protein interactions. With the advancement of Cryo-EM and the increasing number of available structures, our approach should help drive the functional and spatial exploration of the phosphoproteome.

Protein-protein interactions play a vital role in nearly all cellular functions. Hence, understanding their interaction patterns and three-dimensional structural conformations can provide crucial insights about various biological processes and underlying molecular mechanisms for many disease phenotypes. Cross-linking mass spectrometry has the unique capability to detect protein-protein interactions at a large scale along with spatial constraints between interaction partners. However, the current cross-link search algorithms follow an MS2-centric approach and, as a result, suffer from a high rate of mis-identified cross-links (~15%). We address this urgent problem, by designing a novel MS3-centric approach for cross-link identification and implemented it as a search engine called MaXLinker. MaXLinker significantly outperforms the current state of the art search engine with up to 18-fold lower false positive rate. Additionally, MaXLinker results in up to 31% more cross-links, demonstrating its superior sensitivity and specificity. Moreover, we performed proteome-wide cross-linking mass spectrometry using K562 cells. Employing MaXLinker, we unveiled the most comprehensive set of 9,319 unique cross-links at 1% false discovery rate, comprising 8,051 intraprotein and 1,268 interprotein cross-links. Finally, we experimentally validated the quality of a large number of novel interactions identified in our study, providing a conclusive evidence for the robust performance of MaXLinker.

Cell size is tightly controlled in healthy tissues and single-celled organisms, but it remains unclear how size influences cell physiology. Increasing cell size was recently shown to remodel the proteomes of cultured human cells, demonstrating that large and small cells of the same type can be biochemically different. Here, we corroborate these results in mouse hepatocytes and extend our analysis using yeast. We find that size-dependent proteome changes are highly conserved and mostly independent of metabolic state. As eukaryotic cells grow larger, the dilution of the genome elicits a starvation-like proteome phenotype, suggesting that growth in large cells is limited by the genome in a manner analogous to a limiting nutrient. We also demonstrate that the proteomes of replicatively-aged yeast are primarily determined by their large size. Overall, our data suggest that genome concentration is a universal determinant of proteome content in growing cells.

Diffusion in the cytoplasm can greatly impact cellular processes, yet regulation of macromolecular diffusion remains poorly understood. There is increasing evidence that cell size affects the density and macromolecular composition of the cytoplasm. Here, we studied whether cell size affects diffusion at the scale of macromolecules tens of microns in diameter. We analyzed the diffusive motions of intracellular genetically-encoded multimeric 40 nm nanoparticles (cytGEMs) in the cytoplasm of the fission yeast Schizosaccharomyces pombe. Using cell size mutants, we showed that cytGEMs diffusion coefficients decreased in smaller cells and increased in larger cells. This increase in diffusion in large cells may be due to a decrease in the DNA-to-Cytoplasm ratio, as diffusion was not affected in large multinucleate cytokinesis mutants. In investigating the underlying causes of altered cytGEMs diffusion, we found that the proteomes of large and small cells exhibited size-specific changes, including the sub-scaling of ribosomal proteins in large cells. Comparison with a similar dataset from human cells revealed that features of size-dependent proteome remodeling were conserved. These studies demonstrate that cell size is an important parameter in determining the biophysical properties and the composition of the cytoplasm.