Abstract The dense glycan shield is an essential feature of the SARS-CoV-2 spike (S) architecture, key to immune evasion and to the activation of the prefusion conformation. Recent studies indicate that the occupancy and structures of the SARS-CoV-2 S glycans depend not only on the nature of the host cell, but also on the structural stability of the trimer; a point that raises important questions about the relative competence of different glycoforms. Moreover, the functional role of the glycan shield in the SARS-CoV-2 pathogenesis suggests that the evolution of the sites of glycosylation is potentially intertwined with the evolution of the protein sequence to affect optimal activity. Our results from multi-microsecond molecular dynamics simulations indicate that the type of glycosylation at N234, N165 and N343 greatly affects the stability of the receptor binding domain (RBD) open conformation, and thus its exposure and accessibility. Furthermore, our results suggest that the loss of glycosylation at N370, a newly acquired modification in the SARS-CoV-2 S glycan shield’s topology, may have contributed to increase the SARS-CoV-2 infectivity as we find that N-glycosylation at N370 stabilizes the closed RBD conformation by binding a specific cleft on the RBD surface. We discuss how the absence of the N370 glycan in the SARS-CoV-2 S frees the RBD glycan binding cleft, which becomes available to bind cell-surface glycans, potentially increases host cell surface localization.

Abstract Glycoproteome profiling (glycoproteomics) is a powerful yet analytically challenging research tool. The complex tandem mass spectra generated from glycopeptide mixtures require sophisticated analysis pipelines for structural determination. Diverse software aiding the process have appeared, but their relative performance remains untested. Conducted through the HUPO Human Proteome Project – Human Glycoproteomics Initiative, this community study, comprising both developers and users of glycoproteomics software, evaluates the performance of informatics solutions for system-wide glycopeptide analysis. Mass spectrometry-based glycoproteomics datasets from human serum were shared with all teams. The relative team performance for N - and O -glycopeptide data analysis was comprehensively established and validated through orthogonal performance tests. Excitingly, several high-performance glycoproteomics informatics solutions were identified. While the study illustrated that significant informatics challenges remain, as indicated by a high discordance between annotated glycopeptides, lists of high-confidence (consensus) glycopeptides were compiled from the standardised team reports. Deep analysis of the performance data revealed key performance-associated search variables and led to recommendations for improved “high coverage” and “high accuracy” glycoproteomics search strategies. This study concludes that diverse software for comprehensive glycopeptide data analysis exist, points to several high-performance search strategies, and specifies key variables that may guide future software developments and assist informatics decision-making in glycoproteomics.

Abstract To facilitate analysis and sharing of mass spectrometry (MS)-based proteomics data we created tools called CURTAIN ( https://curtain.proteo.info ) and CURTAIN-PTM ( https://curtainptm.proteo.info ). These enable the non-MS expert to interactively peruse volcano plots; deconvolute primary experimental data to individual replicates that can be visualized in bar charts or violin plots allowing statistical analysis; and export of plots in SVG format. They also permit assessment of experimental quality by correlation matrix and profile plot. Within CURTAIN, the user can analyze domain structure, AlphaFold predicted structure, reported interactors, relative expression, disease and pharmaceutical links, and mutagenesis information on all selected hits. Moreover, CURTAIN-PTM permits the comparison of all identified PTM sites on protein(s) of interest with PTM information contained within selected databases. For phosphorylation site analysis CURTAIN-PTM links with the kinase library to predict upstream kinases that phosphorylate sites of interest. We provide examples of the utility of CURTAIN and CURTAIN-PTM in analyzing how targeted degradation of the PPM1H Rab phosphatase that counteracts the Parkinson’s LRRK2 kinase impacts cellular protein levels and phosphorylation sites. We reanalyzed a ubiquitylation dataset, characterizing the PINK1-Parkin pathway activation in primary neurons, revealing new data of interest not highlighted previously. CURTAIN and CURTAIN-PTM are free to use and open-source and will enable researchers to share and maximize the analysis and impact of their proteomics data. We advocate that differential expression proteomic data should be published containing a shareable CURTAIN web-link, allowing readers to better explore their data. Significance Statement To enable non-experts to better share and explore mass spectrometry data, we have generated using open-source software, interactive tools termed CURTAIN and CURTAIN-PTM. These tools enable users’ to save their analysis sessions with a sharable unique web-link, enabling other researchers to visualize and further analyze these datasets. These links can also be reported in publications allowing readers to further survey the reported data. We discuss benefits for the research community of publishing proteomic data containing a shareable web-link.

ABSTRACT Sparkling wine is an alcoholic beverage enjoyed around the world. The sensory properties of sparkling wine depend on a complex interplay between the chemical and biochemical components in the final product. Glycoproteins have been linked to positive and negative qualities in sparkling wine, but the glycosylation profiles of sparkling wine have not been previously investigated in detail. We analysed the glyco/proteome of sparkling wines using protein- and glycopeptide-centric approaches. We developed an automated workflow that created ion libraries to analyse Sequential Window Acquisition of all THeoretical mass spectra (SWATH) Data Independent Acquisition (DIA) mass spectrometry data based on glycopeptides identified by Byonic. We applied our workflow to three pairs of experimental sparkling wines to assess the effects of aging on lees and of different yeast strains used in the Liqueur de Tirage for secondary fermentation. We found that aging a cuvée on lees for 24 months compared to 8 months led to a dramatic decrease in overall protein abundance and an enrichment in large glycans at specific sites in some proteins. Secondary fermentation of a Riesling wine with Saccharomyces cerevisiae yeast strain Siha4 produced more yeast proteins and glycoproteins than with S. cerevisiae yeast strain DV10. The abundance and glycosylation profiles of grape glycoproteins were also different between grape varieties. This work represents the first in-depth study into protein- and peptide-specific glycosylation in sparkling wines and describes a quantitative glycoproteomic SWATH/DIA workflow that is broadly applicable to other sample types.

Abstract Coagulation factor IX (FIX) is a highly complex post-translationally modified human serum glycoprotein and a high-value biopharmaceutical. The quality of recombinant FIX (rFIX), especially complete γ-carboxylation, is critical for rFIX clinical efficacy. Changes in bioreactor operating conditions can impact rFIX production and occupancy and structure of rFIX post-translational modifications (PTMs). We hypothesized that monitoring the bioreactor cell culture supernatant with Data Independent Acquisition Mass Spectrometry (DIA-MS) proteomics would allow us to predict product yield and quality after purification. With the goal of optimizing rFIX production, we developed a suite of MS proteomics analytical methods and used these to investigate changes in rFIX yield, γ-carboxylation, other PTMs, and host cell proteins during bioreactor culture and after purification. Our methods provided a detailed overview of the dynamics of site-specific PTM occupancy and abundance on rFIX during production, which accurately predicted the efficiency of purification and the quality of the purified product from different culture conditions. In addition, we identified new PTMs in rFIX, some of which were near the GLA domain and could impact rFIX GLA-dependent purification efficiency and protein function. The workflows presented here are applicable to other biologics and expression systems, and should aid in the optimization and quality control of upstream and downstream bioprocesses.

Abstract The Golgi is a membrane-bound organelle that is essential for protein and lipid biosynthesis. It represents a central trafficking hub that sorts proteins and lipids to various destinations or for secretion from the cell. The Golgi has emerged as a docking platform for cellular signalling pathways including LRRK2 kinase whose deregulation leads to Parkinson disease. Golgi dysfunction is associated with a broad spectrum of diseases including cancer, neurodegeneration, and cardiovascular diseases. To allow the study of the Golgi at high resolution, we report a rapid immunoprecipitation technique (Golgi-IP) to isolate intact Golgi mini-stacks for subsequent analysis of their content. By fusing the Golgi resident protein TMEM115 to three tandem HA epitopes (GolgiTAG), we purified the Golgi using Golgi-IP with minimal contamination from other compartments. We then established an analysis pipeline using liquid chromatography coupled with mass spectrometry to characterize the human Golgi proteome, metabolome and lipidome. Subcellular proteomics confirmed known Golgi proteins and identified novel ones. Metabolite profiling established the first known human Golgi metabolome and revealed the selective enrichment of uridine-diphosphate (UDP) sugars and their derivatives, which is consistent with their roles in protein and lipid glycosylation. Furthermore, targeted metabolomics validated SLC35A2 as the subcellular transporter for UDP-hexose. Finally, lipidomics analysis showed that phospholipids including phosphatidylcholine, phosphatidylinositol and phosphatidylserine are the most abundant Golgi lipids and that glycosphingolipids are enriched in this compartment. Altogether, our work establishes a comprehensive molecular map of the human Golgi and provides a powerful method to study the Golgi with high precision in health and disease states. Significance The Golgi is central to protein and lipid processing. It senses and responds to diverse cell states to allow trafficking of macromolecules based on cellular demands. Traditional techniques for purifying the Golgi shaped our understanding of its functions, however such methods are too slow to preserve the labile Golgi metabolome and transient protein interactions. Here, we overcome this issue through the development of a method for the rapid capture of intact Golgi from human cells using organelle-specific immunoprecipitation (Golgi-IP). Using high resolution mass spectrometry, we demonstrate that our approach allows the unbiased characterization of the Golgi proteome, metabolome and lipidome. Thus, we believe that the Golgi-IP will be useful for the study of the Golgi in health and disease states.

Abstract Germination is a critical process in the reproduction and propagation of flowering plants, and is also the key stage of industrial grain malting. Germination commences when seeds are steeped in water, followed by degradation of the endosperm cell walls, enzymatic digestion of starch and proteins to provide nutrients for the growing plant, and emergence of the radicle from the seed. Dormancy is a state where seeds fail to germinate upon steeping, but which prevents inappropriate premature germination of the seeds before harvest from the field. This can result in inefficiencies in industrial malting. We used Sequential Window Acquisition of all THeoretical ions Mass Spectrometry (SWATH-MS) proteomics to measure changes in the barley seed proteome throughout germination. We found a large number of proteins involved in desiccation tolerance and germination inhibition rapidly decreased in abundance after imbibition. This was followed by a decrease in proteins involved in lipid, protein and nutrient reservoir storage, consistent with induction and activation of systems for nutrient mobilisation to provide nutrients to the growing embryo. Dormant seeds that failed to germinate showed substantial biochemical activity distinct from that of seeds undergoing germination, with differences in sulfur metabolic enzymes, endogenous alpha-amylase/trypsin inhibitors, and histone proteins. We verified our findings with analysis of germinating barley seeds from two commercial malting facilities, demonstrating that key features of the dynamic proteome of germinating barley seeds were conserved between laboratory and industrial scales. The results provide a more detailed understanding of the changes in the barley proteome during germination and give possible target proteins for testing or to inform selective breeding to enhance germination or control dormancy.

The Parkinsons VPS35[D620N] mutation causes lysosome dysfunction enhancing LRRK2 kinase activity. We find the VPS35[D620N] mutation alters expression of about 350 lysosomal proteins and stimulates LRRK2 recruitment and phosphorylation of Rab proteins at the lysosome. This recruits the phosphoRab effector protein RILPL1 to the lysosome where it binds to the lysosomal integral membrane protein TMEM55B. We identify highly conserved regions of RILPL1 and TMEM55B that interact and design mutations that block binding. In mouse fibroblasts, brain, and lung, we demonstrate that the VPS35 [D620N] mutation reduces RILPL1 levels, in a manner reversed by LRRK2 inhibition. Knock-out of RILPL1 enhances phosphorylation of Rab substrates and knock-out of TMEM55B increases RILPL1 levels. The lysosomotropic agent, LLOMe also induced LRRK2 kinase mediated association of RILPL1 to the lysosome, but to a lower extent than the D620N mutation. Our study uncovers a pathway through which dysfunctional lysosomes resulting from the VPS35[D620N] mutation recruit and activate LRRK2 on the lysosomal surface, driving assembly of the RILPL1-TMEM55B complex.

Abstract Beer is one of the most popular beverages worldwide. As a product of variable agricultural ingredients and processes, beer has high molecular complexity. We used DIA/SWATH-MS to investigate the proteomic complexity and diversity of 23 commercial Australian beers. While the overall complexity of the beer proteome was modest, with contributions from barley and yeast proteins, we uncovered a very high diversity of post-translational modifications (PTMs), especially proteolysis, glycation, and glycosylation. Proteolysis was widespread throughout barley proteins, but showed clear site-specificity. Oligohexose modifications were common on lysines in barley proteins, consistent with glycation by maltooligosaccharides released from starch during malting or mashing. O -glycosylation consistent with oligomannose was abundant on secreted yeast glycoproteins. We developed and used data analysis pipelines to efficiently extract and quantify site-specific PTMs from SWATH-MS data, and showed incorporating these features into proteomic analyses extended analytical precision. We found that the key differentiator of the beer glyco/proteome was the brewery, with beer from independent breweries having a distinct profile to beer from multinational breweries. Within a given brewery, beer styles also had distinct glyco/proteomes. Targeting our analyses to beers from a single brewery, Newstead Brewing Co., allowed us to identify beer style-specific features of the glyco/proteome. Specifically, we found that proteins in darker beers tended to have low glycation and high proteolysis. Finally, we objectively quantified features of foam formation and stability, and showed that these quality properties correlated with the concentration of abundant surface-active proteins from barley and yeast.

Barley is an important cereal grain used for beer brewing, animal feed, and human food consumption. Fungal disease can impact barley production, as it causes substantial yield loss and lowers seed quality. We used sequential window acquisition of all theoretical ions mass spectrometry (SWATH-MS) to measure and quantify the relative abundance of proteins within seeds of different barley varieties under various fungal pathogen burdens (ProteomeXchange Datasets PXD011303 and PXD014093). Fungal burden in the leaves and stems of barley resulted in changes to the seed proteome. However, these changes were minimal and showed substantial variation among barley samples infected with different pathogens. The limited effect of intrinsic disease resistance on the seed proteome is consistent with the main mediators of disease resistance being present in the leaves and stems of the plant. The seeds of barley varieties accredited for use as malt had higher levels of proteins associated with starch synthesis and beer quality. The proteomic workflows developed and implemented here have potential application in quality control, breeding and processing of barley, and other agricultural products.