A great challenge in the proteomics and structural genomics era is to predict protein structure and function, including identification of those proteins that are partially or wholly unstructured. Disordered regions in proteins often contain short linear peptide motifs (e.g., SH3 ligands and targeting signals) that are important for protein function. We present here DisEMBL, a computational tool for prediction of disordered/unstructured regions within a protein sequence. As no clear definition of disorder exists, we have developed parameters based on several alternative definitions and introduced a new one based on the concept of "hot loops," i.e., coils with high temperature factors. Avoiding potentially disordered segments in protein expression constructs can increase expression, foldability, and stability of the expressed protein. DisEMBL is thus useful for target selection and the design of constructs as needed for many biochemical studies, particularly structural biology and structural genomics projects. The tool is freely available via a web interface (http://dis.embl.de) and can be downloaded for use in large-scale studies.

A major challenge in the proteomics and structural genomics era is to predict protein structure and function, including identification of those proteins that are partially or wholly unstructured. Non-globular sequence segments often contain short linear peptide motifs (e.g. SH3-binding sites) which are important for protein function. We present here a new tool for discovery of such unstructured, or disordered regions within proteins. GlobPlot (http://globplot.embl.de) is a web service that allows the user to plot the tendency within the query protein for order/globularity and disorder. We show examples with known proteins where it successfully identifies inter-domain segments containing linear motifs, and also apparently ordered regions that do not contain any recognised domain. GlobPlot may be useful in domain hunting efforts. The plots indicate that instances of known domains may often contain additional N- or C-terminal segments that appear ordered. Thus GlobPlot may be of use in the design of constructs corresponding to globular proteins, as needed for many biochemical studies, particularly structural biology. GlobPlot has a pipeline interface--GlobPipe--for the advanced user to do whole proteome analysis. GlobPlot can also be used as a generic infrastructure package for graphical displaying of any possible propensity.

Protein kinases control cellular decision processes by phosphorylating specific substrates. Thousands of in vivo phosphorylation sites have been identified, mostly by proteome-wide mapping. However, systematically matching these sites to specific kinases is presently infeasible, due to limited specificity of consensus motifs, and the influence of contextual factors, such as protein scaffolds, localization, and expression, on cellular substrate specificity. We have developed an approach (NetworKIN) that augments motif-based predictions with the network context of kinases and phosphoproteins. The latter provides 60%-80% of the computational capability to assign in vivo substrate specificity. NetworKIN pinpoints kinases responsible for specific phosphorylations and yields a 2.5-fold improvement in the accuracy with which phosphorylation networks can be constructed. Applying this approach to DNA damage signaling, we show that 53BP1 and Rad50 are phosphorylated by CDK1 and ATM, respectively. We describe a scalable strategy to evaluate predictions, which suggests that BCLAF1 is a GSK-3 substrate.

Created with both in vitro and in vivo data, NetPhorest is an atlas of consensus sequence motifs for 179 kinases and 104 phosphorylation-dependent binding domains and reveals new insight into phosphorylation-dependent signaling.

Metastasis to the bone of certain breast cancers can be driven by the enzyme lysyl oxidase (LOX) produced by primary tumour cells. Why some tumours metastasize to specific tissues, such as lungs or bone, is in many cases unclear. Janine Erler and colleagues show that metastasis to the bone of certain breast cancers can be driven by the enzyme lysyl oxidase (LOX) produced by the metastatic tumour cells. LOX induces bone lesions by promoting the formation of bone-absorbing osteoclast cells. The lesions appear to provide breast cancer cells circulating in the blood a landing site from where they can grow into metastases. Suppression of LOX may therefore provide a way of blocking bone metastasis, and LOX expression in a tumour could serve as a biomarker for the propensity of a tumour to metastasize to the bone. Tumour metastasis is a complex process involving reciprocal interplay between cancer cells and host stroma at both primary and secondary sites, and is strongly influenced by microenvironmental factors such as hypoxia1. Tumour-secreted proteins play a crucial role in these interactions2,3,4,5 and present strategic therapeutic potential. Metastasis of breast cancer to the bone affects approximately 85% of patients with advanced disease and renders them largely untreatable6. Specifically, osteolytic bone lesions, where bone is destroyed, lead to debilitating skeletal complications and increased patient morbidity and mortality6,7. The molecular interactions governing the early events of osteolytic lesion formation are currently unclear. Here we show hypoxia to be specifically associated with bone relapse in patients with oestrogen-receptor negative breast cancer. Global quantitative analysis of the hypoxic secretome identified lysyl oxidase (LOX) as significantly associated with bone-tropism and relapse. High expression of LOX in primary breast tumours or systemic delivery of LOX leads to osteolytic lesion formation whereas silencing or inhibition of LOX activity abrogates tumour-driven osteolytic lesion formation. We identify LOX as a novel regulator of NFATc1-driven osteoclastogenesis, independent of RANK ligand, which disrupts normal bone homeostasis leading to the formation of focal pre-metastatic lesions. We show that these lesions subsequently provide a platform for circulating tumour cells to colonize and form bone metastases. Our study identifies a novel mechanism of regulation of bone homeostasis and metastasis, opening up opportunities for novel therapeutic intervention with important clinical implications.

A growing number of proteins are being identified that are biologically active though intrinsically disordered, in sharp contrast with the classic notion that proteins require a well-defined globular structure in order to be functional. At the same time recent work showed that aggregation and amyloidosis are initiated in amino acid sequences that have specific physico-chemical properties in terms of secondary structure propensities, hydrophobicity and charge. In intrinsically disordered proteins (IDPs) such sequences would be almost exclusively solvent-exposed and therefore cause serious solubility problems. Further, some IDPs such as the human prion protein, synuclein and Tau protein are related to major protein conformational diseases. However, this scenario contrasts with the large number of unstructured proteins identified, especially in higher eukaryotes, and the fact that the solubility of these proteins is often particularly good. We have used the algorithm TANGO to compare the beta aggregation tendency of a set of globular proteins derived from SCOP and a set of 296 experimentally verified, non-redundant IDPs but also with a set of IDPs predicted by the algorithms DisEMBL and GlobPlot. Our analysis shows that the beta-aggregation propensity of all-alpha, all-beta and mixed alpha/beta globular proteins as well as membrane-associated proteins is fairly similar. This illustrates firstly that globular structures possess an appreciable amount of structural frustration and secondly that beta-aggregation is not determined by hydrophobicity and beta-sheet propensity alone. We also show that globular proteins contain almost three times as much aggregation nucleating regions as IDPs and that the formation of highly structured globular proteins comes at the cost of a higher beta-aggregation propensity because both structure and aggregation obey very similar physico-chemical constraints. Finally, we discuss the fact that although IDPs have a much lower aggregation propensity than globular proteins, this does not necessarily mean that they have a lower potential for amyloidosis.

Many aspects of cell signalling, trafficking, and targeting are governed by interactions between globular protein domains and short peptide segments. These domains often bind multiple peptides that share a common sequence pattern, or "linear motif" (e.g., SH3 binding to PxxP). Many domains are known, though comparatively few linear motifs have been discovered. Their short length (three to eight residues), and the fact that they often reside in disordered regions in proteins makes them difficult to detect through sequence comparison or experiment. Nevertheless, each new motif provides critical molecular details of how interaction networks are constructed, and can explain how one protein is able to bind to very different partners. Here we show that binding motifs can be detected using data from genome-scale interaction studies, and thus avoid the normally slow discovery process. Our approach based on motif over-representation in non-homologous sequences, rediscovers known motifs and predicts dozens of others. Direct binding experiments reveal that two predicted motifs are indeed protein-binding modules: a DxxDxxxD protein phosphatase 1 binding motif with a KD of 22 μM and a VxxxRxYS motif that binds Translin with a KD of 43 μM. We estimate that there are dozens or even hundreds of linear motifs yet to be discovered that will give molecular insight into protein networks and greatly illuminate cellular processes.

Genomic information on tumors from 50 cancer types cataloged by the International Cancer Genome Consortium (ICGC) shows that only a few well-studied driver genes are frequently mutated, in contrast to many infrequently mutated genes that may also contribute to tumor biology. Hence there has been large interest in developing pathway and network analysis methods that group genes and illuminate the processes involved. We provide an overview of these analysis techniques and show where they guide mechanistic and translational investigations.

Protein kinases control cellular responses by phosphorylating specific substrates. Recent proteome-wide mapping of protein phosphorylation sites by mass spectrometry has discovered thousands of in vivo sites. Systematically assigning all 518 human kinases to all these sites is a challenging problem. The NetworKIN database ( http://networkin.info ) integrates consensus substrate motifs with context modelling for improved prediction of cellular kinase–substrate relations. Based on the latest human phosphoproteome from the Phospho.ELM and PhosphoSite databases, the resource offers insight into phosphorylation-modulated interaction networks. Here, we describe how NetworKIN can be used for both global and targeted molecular studies. Via the web interface users can query the database of precomputed kinase–substrate relations or obtain predictions on novel phosphoproteins. The database currently contains a predicted phosphorylation network with 20 224 site-specific interactions involving 3978 phosphoproteins and 73 human kinases from 20 families.