Protein interactions form a network whose structure drives cellular function and whose organization informs biological inquiry. Using high-throughput affinity-purification mass spectrometry, we identify interacting partners for 2,594 human proteins in HEK293T cells. The resulting network (BioPlex) contains 23,744 interactions among 7,668 proteins with 86% previously undocumented. BioPlex accurately depicts known complexes, attaining 80%–100% coverage for most CORUM complexes. The network readily subdivides into communities that correspond to complexes or clusters of functionally related proteins. More generally, network architecture reflects cellular localization, biological process, and molecular function, enabling functional characterization of thousands of proteins. Network structure also reveals associations among thousands of protein domains, suggesting a basis for examining structurally related proteins. Finally, BioPlex, in combination with other approaches, can be used to reveal interactions of biological or clinical significance. For example, mutations in the membrane protein VAPB implicated in familial amyotrophic lateral sclerosis perturb a defined community of interactors.

Multiplexed quantitation via isobaric chemical tags (e.g., tandem mass tags (TMT) and isobaric tags for relative and absolute quantitation (iTRAQ)) has the potential to revolutionize quantitative proteomics. However, until recently the utility of these tags was questionable due to reporter ion ratio distortion resulting from fragmentation of coisolated interfering species. These interfering signals can be negated through additional gas-phase manipulations (e.g., MS/MS/MS (MS3) and proton-transfer reactions (PTR)). These methods, however, have a significant sensitivity penalty. Using isolation waveforms with multiple frequency notches (i.e., synchronous precursor selection, SPS), we coisolated and cofragmented multiple MS2 fragment ions, thereby increasing the number of reporter ions in the MS3 spectrum 10-fold over the standard MS3 method (i.e., MultiNotch MS3). By increasing the reporter ion signals, this method improves the dynamic range of reporter ion quantitation, reduces reporter ion signal variance, and ultimately produces more high-quality quantitative measurements. To demonstrate utility, we analyzed biological triplicates of eight colon cancer cell lines using the MultiNotch MS3 method. Across all the replicates we quantified 8 378 proteins in union and 6 168 proteins in common. Taking into account that each of these quantified proteins contains eight distinct cell-line measurements, this data set encompasses 174 704 quantitative ratios each measured in triplicate across the biological replicates. Herein, we demonstrate that the MultiNotch MS3 method uniquely combines multiplexing capacity with quantitative sensitivity and accuracy, drastically increasing the informational value obtainable from proteomic experiments.

Abstract Eukaryotic cytoplasm organizes itself via both membrane-bound organelles and membrane-less biomolecular condensates (BMCs). Known BMCs exhibit liquid-like properties and are typically visualized on the scale of ~1 μm. They have been studied mostly by microscopy, examining select individual proteins. Here, we investigate the global organization of native cytoplasm with quantitative proteomics, using differential pressure filtration, size exclusion, and dilution experiments. These assays reveal that BMCs form throughout the cytosplasm, predominantly at the mesoscale of ~100 nm. Our data indicate that at least 18% of the proteome is organized via such mesoscale BMCs, suggesting that cells widely employ dynamic liquid-like clustering to organize their cytoplasm, at surprisingly small length scales.

Summary The famous Arrhenius equation is well motivated to describe the temperature dependence of chemical reactions but has also been used for complicated biological processes. Here, we evaluate how well the simple Arrhenius equation predicts complex multistep biological processes, using frog and fruit fly embryogenesis as two canonical models. We find the Arrhenius equation provides a good approximation for the temperature dependence of embryogenesis, even though individual developmental stages scale differently with temperature. At low and high temperatures, however, we observed significant departures from idealized Arrhenius Law behavior. When we model multistep reactions of idealized chemical networks we are unable to generate comparable deviations from linearity. In contrast, we find the single enzyme GAPDH shows non-linearity in the Arrhenius plot similar to our observations of embryonic development. Thus, we find that complex embryonic development can be well approximated by the simple Arrhenius Law and propose that the observed departure from this law results primarily from non-idealized individual steps rather than the complexity of the system.

Abstract Crowding increases the tendency of macromolecules to aggregate and phase separate, and high crowding can induce glass-like states of cytoplasm. To explore the effect of crowding in a well-characterized model cytoplasm we developed methods to selectively concentrate components larger than 25 kDa from Xenopus egg extracts. When crowding was increased 1.4x, the egg cytoplasm demixed into two liquid phases of approximately equal volume. One of the phases was highly enriched in glycogen while the other had a higher protein concentration. Glycogen hydrolysis blocked or reversed demixing. Quantitative proteomics showed that the glycogen phase was enriched in proteins that bind glycogen, participate in carbohydrate metabolism, or are in complexes with especially high native molecular weight. The glycogen phase was depleted of ribosomes, ER and mitochondria. These results inform on the physical nature of a glycogen-rich cytoplasm and suggest a role of demixing in the localization of glycogen particles in tissue cells.

ABSTRACT Vertebrate development from an egg to a complex multi-tissue million-cell organism is supported by multiple phases of genome-scale remodeling of the repertoire of proteins and their post-translational modifications, yet so far we know little about these phases. In this paper we present comprehensive characterization of these processes reflected by eleven time points, approximately eleven thousand proteins, and six thousand phospho-forms in two replicates. We find that the most dramatic changes to the proteome occur during the transition to functional organ systems, which occurs as the embryo becomes a tadpole. At that time the absolute amount of non-yolk protein increases two-fold, and there is a shift in the balance of expression from proteins regulating gene expression to receptors, ligands, and proteins involved in cell-cell and cell-environment interactions. Between the early and late tadpole, the median increase of membrane and secreted proteins is substantially higher than that of nuclear proteins. For the first time, we have included quantitative phospho-proteomic data across the same developmental stages. In contrast to the significant protein changes that are concentrated at the end of the time series, the most significant phosphorylation changes are concentrated in the very early stages of development. A clear exception are phosphorylations of proteins involved in gene expression; these increase just after fertilization, with patterns that are highly correlated with the underlying protein changes. To improve our interpretation of this unique data set, we created a pipeline for identifying homologous human phosphorylations from the measured Xenopus phospho-proteome, and we estimated, where possible, the occupancy of phosphorylation sites. Overall, we detected many profound temporal transitions, which suggest concerted changes in developmental strategies in the embryo that are particularly pronounced once early patterning and specification are complete.

Multiplexed proteomics is a powerful tool to assay cell states in health and disease, but accurate quantification of relative protein changes is impaired by interference from co-isolated peptides. Interference can be reduced by using MS3-based quantification, but this reduces sensitivity and requires specialized instrumentation. An alternative approach is quantification by complementary ions, which allows accurate and precise multiplexed quantification at the MS2 level and is compatible with the most widely distributed instruments. However, complementary ions of the popular TMT tag form inefficiently and multiplexing is limited to five channels. Here, we evaluate and optimize complementary ion quantification for the recently released TMTPro tag, which increases plexing capacity to eight channels (TMTProC). We find that the beneficial fragmentation properties of TMTPro increase quantification signal five-fold compared to TMT. This increased sensitivity results in ~65% more proteins quantified compared to TMTPro-MS3 and even slightly outperforms TMTPro-MS2. Furthermore, TMTProC quantification is more accurate than TMTPro-MS2 and even superior to TMTPro-MS3. To demonstrate the power of TMTProC, we analyzed a human and yeast interference sample and were able to quantify 13,290 proteins in 24 fractions. Thus, TMTProC advances multiplexed proteomics data quality and widens access to accurate multiplexed proteomics beyond laboratories with MS3-capable instrumentation.

Abstract Great progress has been made in understanding gut microbiome’s products and their effects on health and disease. Less attention, however, has been given to the inputs that gut bacteria consume. Here we quantitatively examine inputs and outputs of the mouse gut microbiome, using isotope tracing. The main input to microbial carbohydrate fermentation is dietary fiber, and to branched-chain fatty acids and aromatic metabolites is dietary protein. In addition, circulating host lactate, 3-hydroxybutyrate and urea (but not glucose or amino acids) feed the gut microbiome. To determine nutrient preferences across bacteria, we traced into genus-specific bacterial protein sequences. We find systematic differences in nutrient use: Most genera in the phylum Firmicutes prefer dietary protein, Bacteroides dietary fiber, and Akkermansia circulating host lactate. Such preferences correlate with microbiome composition changes in response to dietary modifications. Thus, diet shapes the microbiome by promoting the growth of bacteria that preferentially use the ingested nutrients.

Summary The development of a fertilized egg to an embryo requires the proper temporal control of gene expression 1-6 . During cell differentiation, timing is often controlled via cascades of transcription factors (TFs) 7,8 . However, in early development, transcription is often inactive, and many TF levels are constant, suggesting that unknown mechanisms govern the observed rapid and ordered onset of gene expression 9 . Here, we find that in early embryonic development, access of maternally deposited nuclear proteins to the genome is temporally ordered via importin affinities, thereby timing the expression of downstream targets. We quantify changes in the nuclear proteome during early development and find that nuclear proteins, such as TFs and RNA polymerases, enter nuclei sequentially. Moreover, we find that the timing of the access of nuclear proteins to the genome corresponds to the timing of downstream gene activation. We show that the affinity of proteins to importin is a major determinant in the timing of protein entry into embryonic nuclei. Thus, we propose a mechanism by which embryos encode the timing of gene expression in early development via biochemical affinities. This process could be critical for embryos to organize themselves before deploying the regulatory cascades that control cell identities. Graphical abstract

Abstract Protein turnover is critical for proteostasis, but turnover quantification is challenging, and even in well-studied E. coli , proteome-wide measurements remain scarce. Here, we quantify the turnover rates of ~3200 E. coli proteins under 13 conditions by combining heavy isotope labeling with complement reporter ion quantification and find that cytoplasmic proteins are recycled when nitrogen is limited. We use knockout experiments to assign substrates to the known cytoplasmic ATP-dependent proteases. Surprisingly, none of these proteases are responsible for the observed cytoplasmic protein degradation in nitrogen limitation, suggesting that a major proteolysis pathway in E. coli remains to be discovered. Lastly, we show that protein degradation rates are generally independent of cell division rates. Thus, we present broadly applicable technology for protein turnover measurements and provide a rich resource for protein half-lives and protease substrates in E. coli , complementary to genomics data, that will allow researchers to study the control of proteostasis.