A large-scale quantification of Escherichia coli proteomes across 22 experimental conditions. Measuring precise concentrations of proteins can provide insights into biological processes. Here we use efficient protein extraction and sample fractionation, as well as state-of-the-art quantitative mass spectrometry techniques to generate a comprehensive, condition-dependent protein-abundance map for Escherichia coli. We measure cellular protein concentrations for 55% of predicted E. coli genes (>2,300 proteins) under 22 different experimental conditions and identify methylation and N-terminal protein acetylations previously not known to be prevalent in bacteria. We uncover system-wide proteome allocation, expression regulation and post-translational adaptations. These data provide a valuable resource for the systems biology and broader E. coli research communities.

The complete and specific proteolytic cleavage of protein samples into peptides is crucial for the success of every shotgun LC-MS/MS experiment. In particular, popular peptide-based label-free and targeted mass spectrometry approaches rely on efficient generation of fully cleaved peptides to ensure accurate and sensitive protein quantification. In contrast to previous studies, we globally and quantitatively assessed the efficiency of different digestion strategies using a yeast cell lysate, label-free quantification, and statistical analysis. Digestion conditions include double tryptic, surfactant-assisted, and tandem-combinatorial Lys-C/trypsin digestion. In comparison to tryptic digests, Lys-C/trypsin digests were found most efficient to yield fully cleaved peptides while reducing the abundance of miscleaved peptides. Subsequent sequence context analysis revealed improved digestion performances of Lys-C/trypsin for miscleaved sequence stretches flanked by charged basic and particulary acidic residues. Furthermore, targeted MS analysis demonstrated a more comprehensive protein cleavage only after Lys-C/trypsin digestion, resulting in a more accurrate absolute protein quantification and extending the number of peptides suitable for SRM assay development. Therefore, we conclude that a serial Lys-C/trypsin digestion is highly attractive for most applications in quantitative MS-based proteomics building on in-solution digestion schemes.

Abstract Stimulator of interferon genes (STING) is a central component of the cytosolic nucleic acids sensing pathway and as such master regulator of the type I interferon response. Due to its critical role in physiology and its’ involvement in a variety of diseases, STING has been a focus for drug discovery. Targeted protein degradation (TPD) has emerged as a promising pharmacology for targeting previously considered undruggable proteins by hijacking the cellular ubiquitin proteasome system (UPS) with small molecules. Here, we identify AK59 as a STING degrader leveraging HERC4, a HECT-domain E3 ligase. Additionally, our data reveals that AK59 is effective on the common pathological STING mutations, suggesting a potential clinical application of this mechanism. Thus, these findings introduce HERC4 to the fields of TPD and of compound-induced degradation of STING, suggesting potential therapeutic applications.

Abstract Dysregulated mRNA splicing is involved in the pathogenesis of many diseases including cancer, neurodegenerative diseases, and muscular dystrophies such as myotonic dystrophy type 1 (DM1). Comprehensive assessment of dysregulated splicing on the transcriptome and proteome level has been methodologically challenging, and thus investigations have often been targeting only few genes. Here, we performed a large-scale coordinated transcriptomic and proteomic analysis to characterize a DM1 mouse model (HSA LR ) in comparison to wild-type. Our integrative proteogenomics approach comprised gene- and splicing-level assessments for mRNAs and proteins. It recapitulated many known instances of aberrant mRNA splicing in DM1 and identified new ones. It enabled the design and targeting of splicing-specific peptides and confirmed the translation of known instances of aberrantly spliced disease-related genes (e.g. Atp2a1, Bin1, Ryr1 ), complemented by novel findings (e.g. Ywhae, Flnc, Svil ). Comparative analysis of large-scale mRNA and protein expression data showed quantitative agreement of differentially expressed genes and splicing patterns between disease and wild-type. We hence propose this work as a suitable blueprint for a robust and scalable integrative proteogenomic strategy geared towards advancing our understanding of splicing-based disorders. With such a strategy, splicing-based biomarker candidates emerge as an attractive and accessible option, as they can be efficiently asserted on the mRNA and protein level in coordinated fashion. Graphical abstract

ABSTRACT Targeted protein degradation (TPD) of neo-substrates with proteolysis targeting chimeras (PROTACs) or molecular glues has emerged as a key modality in exploring new biology as well as designing new drug candidates where catalytic inhibition is neither efficacious nor an option. TPD is mediated through harnessing E3 ligases and redirecting them to ubiquitinate de novo target proteins for subsequent proteasomal degradation. Until recently, E3 ligase chemical matter available for mediating TPD has been limited to a relatively low number of ligases, considering that over 600 E3 ligases are encoded by the human genome. In addition, the most utilized ligase for TPD approaches, CRBN, has been observed to be downregulated in settings of acquired resistance to immunomodulatory inhibitory drugs (IMiDs). IMiDs are molecular glues that target IKZF transcription factors to CRBN for degradation. Resistance is potentially accelerated by non-essentiality of CRBN for cell viability. Here we investigated if the essential E3 ligase receptor DCAF1 can be harnessed for TPD utilizing a potent, non-covalent DCAF1 binder. We show that this binder, selective for the CRL4 DCAF1 E3 ligase complex, can be functionalized into an efficient DCAF1-BRD9 PROTAC. Chemical and genetic rescue experiments confirm specific degradation via the CRL4 DCAF1 E3 ligase. We further highlight the versatility of DCAF1 for TPD by developing a DCAF1-dasatininb PROTAC targeting multiple cytosolic and membrane bound tyrosine kinases. We expand these findings towards Bruton’s tyrosine kinase (BTK) selective PROTACs and through extensive optimization and characterization efforts share key observations that led to a potent and selective DCAF1-BTK PROTAC (DBt-10). Finally, with this PROTAC DBt-10, we show rescue of BTK degradation in a BTK-dependent, CRBN-degradation-resistant cell line and provide a rationale for E3 ligase swap to overcome CRBN mediated resistance.

Abstract Stimulator of interferon genes (STING) is a central component of the pathway sensing the presence of cytosolic nucleic acids, having a key role in type I interferon innate immune response. Localized at the endoplasmic reticulum (ER), STING becomes activated by cGAMP, which is generated by the intracellular DNA sensor cyclic GMP-AMP synthase (cGAS). Due to its critical role in physiological function and its ‘ involvement in a variety of diseases, STING has been a notable focus for drug discovery. Recent advances in drug discovery allow the targeting of proteins previously considered “un-druggable” by novel mechanism of actions. Molecular glue degraders are defined as the compounds leading targeted protein degradation (TPD) by creating novel ligase-substrate interactions. Here, we identified AK59 as a novel molecular glue degrader for STING. A genome-wide, CRISPR/Cas9 knockout screen showed that the compound-mediated degradation of STING by AK59 is compromised by the loss of HECT and RLD domain containing E3 ubiquitin protein ligase 4 (HERC4), ubiquitin-like modifier activating enzyme 5 (UBA5) and ubiquitin like modifier activating enzyme 6 (UBA6). While UBA5 and UBA6 could be the auxiliary factors for AK59 activity, our results indicate that HERC4 is the main E3 ligase for the observed degradation mechanism. Validation by individual CRISPR knockouts, co-immunoprecipitations, as well as proximity mediated reporter assays suggested that AK59 functions as a glue degrader by forming a novel interaction between STING and HERC4. Furthermore, our data reveals that AK59 was effective on the most common pathological STING mutations that cause STING-associated vasculopathy with onset in infancy (SAVI), suggesting a potential clinical application of this mechanism. Thus, these findings not only reveal a novel mechanism for compound-induced degradation of STING but also utilize HERC4 as potential E3 ligase that for TPD, enabling novel therapeutic applications.