Global insights into cellular organization and genome function require comprehensive understanding of the interactome networks that mediate genotype–phenotype relationships1,2. Here we present a human ‘all-by-all’ reference interactome map of human binary protein interactions, or ‘HuRI’. With approximately 53,000 protein–protein interactions, HuRI has approximately four times as many such interactions as there are high-quality curated interactions from small-scale studies. The integration of HuRI with genome3, transcriptome4 and proteome5 data enables cellular function to be studied within most physiological or pathological cellular contexts. We demonstrate the utility of HuRI in identifying the specific subcellular roles of protein–protein interactions. Inferred tissue-specific networks reveal general principles for the formation of cellular context-specific functions and elucidate potential molecular mechanisms that might underlie tissue-specific phenotypes of Mendelian diseases. HuRI is a systematic proteome-wide reference that links genomic variation to phenotypic outcomes. A human binary protein interactome map that includes around 53,000 protein–protein interactions involving more than 8,000 proteins provides a reference for the study of human cellular function in health and disease.

Exosomes, the endogenous nanocarriers that can deliver biological information between cells, were recently introduced as new kind of drug delivery system. However, mammalian cells release relatively low quantities of exosomes, and purification of exosomes is difficult. Here, we developed bioinspired exosome-mimetic nanovesicles that deliver chemotherapeutics to the tumor tissue after systemic administration. The chemotherapeutics-loaded nanovesicles were produced by the breakdown of monocytes or macrophages using a serial extrusion through filters with diminishing pore sizes (10, 5, and 1 μm). These cell-derived nanovesicles have similar characteristics with the exosomes but have 100-fold higher production yield. Furthermore, the nanovesicles have natural targeting ability of cells by maintaining the topology of plasma membrane proteins. In vitro, chemotherapeutic drug-loaded nanovesicles induced TNF-α-stimulated endothelial cell death in a dose-dependent manner. In vivo, experiments in mice showed that the chemotherapeutic drug-loaded nanovesicles traffic to tumor tissue and reduce tumor growth without the adverse effects observed with equipotent free drug. Furthermore, compared with doxorubicin-loaded exosomes, doxorubicin-loaded nanovesicles showed similar in vivo antitumor activity. However, doxorubicin-loaded liposomes that did not carry targeting proteins were inefficient in reducing tumor growth. Importantly, removal of the plasma membrane proteins by trypsinization eliminated the therapeutic effects of the nanovesicles both in vitro and in vivo. Taken together, these studies suggest that the bioengineered nanovesicles can serve as novel exosome-mimetics to effectively deliver chemotherapeutics to treat malignant tumors.

Secretion of extracellular vesicles is a general cellular activity that spans the range from simple unicellular organisms (e.g. archaea; Gram-positive and Gram-negative bacteria) to complex multicellular ones, suggesting that this extracellular vesicle-mediated communication is evolutionarily conserved. Extracellular vesicles are spherical bilayered proteolipids with a mean diameter of 20-1,000 nm, which are known to contain various bioactive molecules including proteins, lipids, and nucleic acids. Here, we present EVpedia, which is an integrated database of high-throughput datasets from prokaryotic and eukaryotic extracellular vesicles. EVpedia provides high-throughput datasets of vesicular components (proteins, mRNAs, miRNAs, and lipids) present on prokaryotic, non-mammalian eukaryotic, and mammalian extracellular vesicles. In addition, EVpedia also provides an array of tools, such as the search and browse of vesicular components, Gene Ontology enrichment analysis, network analysis of vesicular proteins and mRNAs, and a comparison of vesicular datasets by ortholog identification. Moreover, publications on extracellular vesicle studies are listed in the database. This free web-based database of EVpedia (http://evpedia.info) might serve as a fundamental repository to stimulate the advancement of extracellular vesicle studies and to elucidate the novel functions of these complex extracellular organelles.

Abstract Background Various cancer cells, including those of colorectal cancer (CRC), release microvesicles (exosomes) into surrounding tissues and peripheral circulation. These microvesicles can mediate communication between cells and affect various tumor-related processes in their target cells. Results We present potential roles of CRC cell-derived microvesicles in tumor progression via a global comparative microvesicular and cellular transcriptomic analysis of human SW480 CRC cells. We first identified 11,327 microvesicular mRNAs involved in tumorigenesis-related processes that reflect the physiology of donor CRC cells. We then found 241 mRNAs enriched in the microvesicles above donor cell levels, of which 27 were involved in cell cycle-related processes. Network analysis revealed that most of the cell cycle-related microvesicle-enriched mRNAs were associated with M-phase activities. The integration of two mRNA datasets showed that these M-phase-related mRNAs were differentially regulated across CRC patients, suggesting their potential roles in tumor progression. Finally, we experimentally verified the network-driven hypothesis by showing a significant increase in proliferation of endothelial cells treated with the microvesicles. Conclusion Our study demonstrates that CRC cell-derived microvesicles are enriched in cell cycle-related mRNAs that promote proliferation of endothelial cells, suggesting that microvesicles of cancer cells can be involved in tumor growth and metastasis by facilitating angiogenesis-related processes. This information will help elucidate the pathophysiological functions of tumor-derived microvesicles, and aid in the development of cancer diagnostics, including colorectal cancer.

Abstract Gram‐negative bacteria constitutively secrete native outer membrane vesicles (OMVs) into the extracellular milieu. Although recent progress in this area has revealed that OMVs are essential for bacterial survival and pathogenesis, the mechanism of vesicle formation and the biological roles of OMVs have not been clearly defined. Using a proteomics approach, we identified 141 protein components of Escherichia coli ‐derived native OMVs with high confidence; two separate analyses yielded identifications of 104 and 117 proteins, respectively, with 80 proteins overlapping between the two trials. In the group of identified proteins, the outer membrane proteins were highly enriched, whereas inner membrane proteins were lacking, suggesting that a specific sorting mechanism for vesicular proteins exists. We also identified proteins involved in vesicle formation, the removal of toxic compounds and attacking phage, and the elimination of competing organisms, as well as those involved in facilitating the transfer of genetic material and protein to other bacteria, targeting host cells, and modulating host immune responses. This study provides a global view of native bacterial OMVs. This information will help us not only to elucidate the biogenesis and functions of OMV from nonpathogenic and pathogenic bacteria but also to develop vaccines and antibiotics effective against pathogenic strains.

Abstract Motivation: Extracellular vesicles (EVs) are spherical bilayered proteolipids, harboring various bioactive molecules. Due to the complexity of the vesicular nomenclatures and components, online searches for EV-related publications and vesicular components are currently challenging. Results: We present an improved version of EVpedia, a public database for EVs research. This community web portal contains a database of publications and vesicular components, identification of orthologous vesicular components, bioinformatic tools and a personalized function. EVpedia includes 6879 publications, 172 080 vesicular components from 263 high-throughput datasets, and has been accessed more than 65 000 times from more than 750 cities. In addition, about 350 members from 73 international research groups have participated in developing EVpedia. This free web-based database might serve as a useful resource to stimulate the emerging field of EV research. Availability and implementation: The web site was implemented in PHP, Java, MySQL and Apache, and is freely available at http://evpedia.info. Contact: ysgho@postech.ac.kr

Pseudomonas aeruginosa, an opportunistic human bacterial pathogen, constitutively secretes outer membrane vesicles (OMVs) into the extracellular milieu. Although recent progress has revealed that OMVs are essential for pathogenesis of P. aeruginosa, their proteins have not been comprehensively analyzed so far. In this study, we identified 338 vesicular proteins with high confidence by five separate LC-MS/MS analyses. This global proteome profile provides a basis for future studies to elucidate the pathological functions of OMVs from P. aeruginosa.

Global insights into cellular organization and function require comprehensive understanding of interactome networks. Similar to how a reference genome sequence revolutionized human genetics, a reference map of the human interactome network is critical to fully understand genotype-phenotype relationships. Here we present the first human “all-by-all” binary reference interactome map, or “HuRI”. With ~53,000 high-quality protein-protein interactions (PPIs), HuRI is approximately four times larger than the information curated from small-scale studies available in the literature. Integrating HuRI with genome, transcriptome and proteome data enables the study of cellular function within essentially any physiological or pathological cellular context. We demonstrate the use of HuRI in identifying specific subcellular roles of PPIs and protein function modulation via splicing during brain development. Inferred tissue-specific networks reveal general principles for the formation of cellular context-specific functions and elucidate potential molecular mechanisms underlying tissue-specific phenotypes of Mendelian diseases. HuRI thus represents an unprecedented, systematic reference linking genomic variation to phenotypic outcomes.