Macromolecular complexes are essential to conserved biological processes, but their prevalence across animals is unclear. By combining extensive biochemical fractionation with quantitative mass spectrometry, here we directly examined the composition of soluble multiprotein complexes among diverse metazoan models. Using an integrative approach, we generated a draft conservation map consisting of more than one million putative high-confidence co-complex interactions for species with fully sequenced genomes that encompasses functional modules present broadly across all extant animals. Clustering reveals a spectrum of conservation, ranging from ancient eukaryotic assemblies that have probably served cellular housekeeping roles for at least one billion years, ancestral complexes that have accrued contemporary components, and rarer metazoan innovations linked to multicellularity. We validated these projections by independent co-fractionation experiments in evolutionarily distant species, affinity purification and functional analyses. The comprehensiveness, centrality and modularity of these reconstructed interactomes reflect their fundamental mechanistic importance and adaptive value to animal cell systems. Using biochemical fractionation and mass spectrometry, animal protein complexes are identified from nine species in parallel, and, along with genome sequence information, complex conservation is investigated and over one million protein–protein interactions are predicted in 122 eukaryotes. Elucidating the components of multiprotein complexes on a proteome-wide scale has been aided by high-throughput methods for systematically determining protein–protein interactions. Here, Edward Marcotte and colleagues identify protein complexes from nine species in parallel, based on biochemical fractionation of native soluble macromolecular complexes followed by tandem mass spectrometry to identify components. The data, from roundworm, mouse, sea urchin, human, frog, fly, sea anemone, slime mould and yeast, show that many complexes are conserved across species. Combing the results with genome sequence information, the authors are able to predict more than one million interactions in 122 eukaryotes.

Abstract Intraflagellar transport (IFT) is a conserved process of cargo transport in cilia that is essential for development and homeostasis in organisms ranging from algae to vertebrates. In humans, variants in genes encoding subunits of the cargo-adapting IFT-A and IFT-B protein complexes are a common cause of genetic diseases known as ciliopathies. While recent progress has been made in determining the atomic structure of IFT-B, little is known of the structural biology of IFT-A. Here, we combined chemical cross-linking mass spectrometry and cryo-electron tomography with AlphaFold2-based prediction of both protein structures and interaction interfaces to model the overall architecture of the monomeric six-subunit IFT-A complex, as well as its polymeric assembly within cilia. We define monomer-monomer contacts and membrane-associated regions available for association with transported cargo, and we also use this model to provide insights into the pleiotropic nature of human ciliopathy-associated genetic variants in genes encoding IFT-A subunits. Our work demonstrates the power of integration of experimental and computational strategies both for multi-protein structure determination and for understanding the etiology of human genetic disease. Summary The 3D structure of the six-subunit complex and its polymeric assembly gives insights into cargo transport in cilia and how specific mutations in these genes lead to ciliopathy birth defects.

Abstract A major goal in structural biology is to understand protein assemblies in their biologically relevant states. Here, we investigate whether AlphaFold2 structure predictions match native protein conformations. We chemically cross-linked proteins in situ within intact Tetrahymena thermophila cilia and native ciliary extracts and identified 1,225 intramolecular cross-links within the 100 best-sampled proteins to provide a benchmark of distance restraints obeyed by proteins in their native assemblies. The corresponding AlphaFold2 structure predictions were highly concordant, positioning 86.2% of cross-linked residues within Cα-to-Cα distances of 30 Å, consistent with the known cross-linker length. 43% of the proteins showed no violations. Most inconsistencies occurred in low-confidence regions or between domains of the structure prediction. For basal body protein BBC118, cross-links combined with the predicted structure revealed domain packing satisfying both data. Overall, AlphaFold2 predicted biological structures with low predicted aligned error corresponded to more correct native structures. However, we observe cases where rigid body domains are oriented incorrectly, suggesting that combining structure prediction with experimental information will better reveal biologically relevant conformations.

Abstract Ciliary motility is driven by axonemal dyneins that are assembled in the cytoplasm before deployment to cilia. Motile ciliopathy can result from defects in the dyneins themselves or from defects in factors required for their cytoplasmic pre-assembly. Recent work demonstrates that axonemal dyneins, their specific assembly factors, and broadly acting chaperones are concentrated in liquid-like organelles in the cytoplasm called DynAPs (Dynein Axonemal Particles). Here, we use in vivo imaging to show that inner dynein arm (IDA) and outer dynein arm (ODA) subunits are partitioned into non-overlapping sub-regions within DynAPs. Using affinity purification mass-spectrometry of in vivo interaction partners, we also identify novel partners for inner and outer dynein arms. Among these, we identify C16orf71/Daap1 as a novel axonemal dynein regulator. Daap1 interacts with ODA subunits, localizes specifically to the cytoplasm, is enriched in DynAPs, and is required for the deployment of ODAs to axonemes. Our work reveals a new complexity in the structure and function of a cell-type specific liquid-like organelle that is directly relevant to human genetic disease.

SUMMARY Red blood cells (RBCs, erythrocytes) are the simplest primary human cells, lacking nuclei and major organelles, and instead employing about a thousand proteins to dynamically control cellular function and morphology in response to physiological cues. In this study, we defined a canonical RBC proteome and interactome using quantitative mass spectrometry and machine learning. Our data reveal an RBC interactome dominated by protein homeostasis, redox biology, cytoskeletal dynamics, and carbon metabolism. We validated protein complexes through electron microscopy and chemical crosslinking, and with these data, built 3D structural models of the ankyrin/Band 3/Band 4.2 complex that bridges the spectrin cytoskeleton to the RBC membrane. The model suggests spring-link compression of ankyrin may contribute to the characteristic RBC cell shape and flexibility. Taken together, our study provides an in-depth view of the global protein organization of human RBCs and serves as a comprehensive resource for future research.

Abstract The dynamic control of the actin cytoskeleton is a key aspect of essentially all animal cell movements. Experiments in single migrating cells and in vitro systems have provided an exceptionally deep understanding of actin dynamics. However, we still know relatively little of how these systems are tuned in cell-type specific ways, for example in the context of collective cell movements that sculpt the early embryo. Here, we provide an analysis of the actin severing and depolymerization machinery during vertebrate gastrulation, with a focus on Twinfilin1. We confirm previous results on the role of Twf1 in lamellipodia and extend those findings by linking Twf1, actin turnover, and cell polarization required for convergent extension during vertebrate gastrulation.

Summary Axis extension is a fundamental biological process that shapes multicellular organisms. The design of an animal’s body plan is encoded in the genome and execution of this program is a multiscale mechanical progression involving the coordinated movement of proteins, cells, and whole tissues. Thus, a key challenge to understanding axis extension is connecting events that occur across these various length scales. Here, we use approaches from proteomics, cell biology, and tissue biomechanics to describe how a poorly characterized cell adhesion effector, the Armadillo Repeat protein deleted in Velo-Cardio-Facial syndrome (Arvcf) catenin, controls vertebrate head-to-tail axis extension. We find that Arvcf catenin is required for axis extension within the intact organism but is not required for extension of isolated tissues. We then show that the organism scale phenotype is caused by a modest defect in force production at the tissue scale that becomes apparent when the tissue is challenged by external resistance. Finally, we show that the tissue scale force defect results from dampening of the pulsatile recruitment of cell adhesion and cytoskeletal proteins to cell membranes. These results not only provide a comprehensive understanding of Arvcf function during an essential biological process, but also provide insight into how a modest cellular scale defect in cell adhesion results in an organism scale failure of development.

Cilia are hairlike protrusions that project from the surface of eukaryotic cells and play key roles in cell signaling and motility. Ciliary motility is regulated by the conserved nexin-dynein regulatory complex (N-DRC), which links adjacent doublet microtubules and regulates and coordinates the activity of outer doublet complexes. Despite its critical role in cilia motility, the assembly and molecular basis of the regulatory mechanism are poorly understood. Here, utilizing cryo-electron microscopy in conjunction with biochemical cross-linking and integrative modeling, we localized 12 DRC subunits in the N-DRC structure of Tetrahymena thermophila . We also found that the CCDC96/113 complex is in close contact with the N-DRC. In addition, we revealed that the N-DRC is associated with a network of coiled-coil proteins that most likely mediates N-DRC regulatory activity.

Establishing the pattern of abundance of molecules of interest during cell division has been a long-standing goal of cell cycle studies. In several systems, including the budding yeast Saccharomyces cerevisiae, cell cycle-dependent changes in the transcriptome are well studied. In contrast, few studies queried the proteome during cell division, and they are often plagued by low agreement with each other and with previous transcriptomic datasets. There is also little information about dynamic changes in the levels of metabolites and lipids in the cell cycle. Here, for the first time in any system, we present experiment-matched datasets of the levels of RNAs, proteins, metabolites, and lipids from un-arrested, growing, and synchronously dividing yeast cells. Overall, transcript and protein levels were correlated, but specific processes that appeared to change at the RNA level (e.g., ribosome biogenesis), did not do so at the protein level, and vice versa. We also found no significant changes in codon usage or the ribosome content during the cell cycle. We describe an unexpected mitotic peak in the abundance of ergosterol and thiamine biosynthesis enzymes. Although the levels of several metabolites changed in the cell cycle, by far the most significant changes were in the lipid repertoire, with phospholipids and triglycerides peaking strongly late in the cell cycle. Our findings provide an integrated view of the abundance of biomolecules in the eukaryotic cell cycle and point to a coordinate mitotic control of lipid metabolism.

All eukaryotes share a common ancestor from roughly 1.5 - 1.8 billion years ago, a single-celled, swimming microbe known as LECA, the Last Eukaryotic Common Ancestor. Nearly half of the genes in modern eukaryotes were present in LECA, and many current genetic diseases and traits stem from these ancient molecular systems. To better understand these systems, we compared genes across modern organisms and identified a core set of 10,092 shared protein-coding gene families likely present in LECA, a quarter of which are uncharacterized. We then integrated >26,000 mass spectrometry proteomics analyses from 31 species to infer how these proteins interact in higher-order complexes. The resulting interactome describes the biochemical organization of LECA, revealing both known and new assemblies. We analyzed these ancient protein interactions to find new human gene-disease relationships for bone density and congenital birth defects, demonstrating the value of ancestral protein interactions for guiding functional genetics today.