The majority of therapies that target individual proteins rely on specific activity-modulating interactions with the target protein—for example, enzyme inhibition or ligand blocking. However, several major classes of therapeutically relevant proteins have unknown or inaccessible activity profiles and so cannot be targeted by such strategies. Protein-degradation platforms such as proteolysis-targeting chimaeras (PROTACs)1,2 and others (for example, dTAGs3, Trim-Away4, chaperone-mediated autophagy targeting5 and SNIPERs6) have been developed for proteins that are typically difficult to target; however, these methods involve the manipulation of intracellular protein degradation machinery and are therefore fundamentally limited to proteins that contain cytosolic domains to which ligands can bind and recruit the requisite cellular components. Extracellular and membrane-associated proteins—the products of 40% of all protein-encoding genes7—are key agents in cancer, ageing-related diseases and autoimmune disorders8, and so a general strategy to selectively degrade these proteins has the potential to improve human health. Here we establish the targeted degradation of extracellular and membrane-associated proteins using conjugates that bind both a cell-surface lysosome-shuttling receptor and the extracellular domain of a target protein. These initial lysosome-targeting chimaeras, which we term LYTACs, consist of a small molecule or antibody fused to chemically synthesized glycopeptide ligands that are agonists of the cation-independent mannose-6-phosphate receptor (CI-M6PR). We use LYTACs to develop a CRISPR interference screen that reveals the biochemical pathway for CI-M6PR-mediated cargo internalization in cell lines, and uncover the exocyst complex as a previously unidentified—but essential—component of this pathway. We demonstrate the scope of this platform through the degradation of therapeutically relevant proteins, including apolipoprotein E4, epidermal growth factor receptor, CD71 and programmed death-ligand 1. Our results establish a modular strategy for directing secreted and membrane proteins for lysosomal degradation, with broad implications for biochemical research and for therapeutics. Lysosome-targeting chimaeras—in which a small molecule or antibody is connected to a glycopeptide ligand to form a conjugate that can bind a cell-surface lysosome-shuttling receptor and a protein target—are used to achieve the targeted degradation of extracellular and membrane proteins.

Selective protein degradation platforms have afforded new development opportunities for therapeutics and tools for biological inquiry. The first lysosome-targeting chimeras (LYTACs) targeted extracellular and membrane proteins for degradation by bridging a target protein to the cation-independent mannose-6-phosphate receptor (CI-M6PR). Here, we developed LYTACs that engage the asialoglycoprotein receptor (ASGPR), a liver-specific lysosome-targeting receptor, to degrade extracellular proteins in a cell-type-specific manner. We conjugated binders to a triantenerrary N-acetylgalactosamine (tri-GalNAc) motif that engages ASGPR to drive the downregulation of proteins. Degradation of epidermal growth factor receptor (EGFR) by GalNAc-LYTAC attenuated EGFR signaling compared to inhibition with an antibody. Furthermore, we demonstrated that a LYTAC consisting of a 3.4-kDa peptide binder linked to a tri-GalNAc ligand degrades integrins and reduces cancer cell proliferation. Degradation with a single tri-GalNAc ligand prompted site-specific conjugation on antibody scaffolds, which improved the pharmacokinetic profile of GalNAc-LYTACs in vivo. GalNAc-LYTACs thus represent an avenue for cell-type-restricted protein degradation. Lysosome-targeting chimeras (LYTACs) based on glycan ligands of the asialoglycoprotein receptor facilitate the cell-specific targeting and turnover of proteins by lysosomal enzymes, expanding the scope of LYTAC-mediated targeted protein degradation.

Abstract Mucin domains are densely O-glycosylated modular protein domains found in a wide variety of cell surface and secreted proteins. Mucin-domain glycoproteins are key players in a host of human diseases, especially cancer, but the scope of the mucinome remains poorly defined. Recently, we characterized a bacterial mucinase, StcE, and demonstrated that an inactive point mutant retains binding selectivity for mucins. In this work, we leveraged inactive StcE to selectively enrich and identify mucins from complex samples like cell lysate and crude ovarian cancer patient ascites fluid. Our enrichment strategy was further aided by an algorithm to assign confidence to mucin-domain glycoprotein identifications. This mucinomics platform facilitated detection of hundreds of glycopeptides from mucin domains and highly overlapping populations of mucin-domain glycoproteins from ovarian cancer patients. Ultimately, we demonstrate our mucinomics approach can reveal key molecular signatures of cancer from in vitro and ex vivo sources.

Abstract Despite the curative potential of checkpoint blockade immunotherapy, a majority of patients remain unresponsive to existing treatments. Glyco-immune checkpoints – interactions of cell-surface glycans with lectin, or glycan binding, immunoreceptors – have emerged as prominent mechanisms of immune evasion and therapeutic resistance in cancer. Here, we describe antibody-lectin chimeras (AbLecs), a modular platform for glyco-immune checkpoint blockade. AbLecs are bispecific antibody-like molecules comprising a tumor-targeting arm as well as a lectin “decoy receptor” domain that directly binds tumor glycans and blocks their ability to engage lectin receptors on immune cells. AbLecs elicited tumor killing in vitro via macrophage phagocytosis and NK cell and granulocyte cytotoxicity, matching or outperforming combinations of monospecific antibodies with lectin-blocking or glycan-disrupting therapies. Furthermore, AbLecs synergized with blockade of the “don’t eat me” signal CD47 for enhanced tumor killing. AbLecs can be readily designed to target numerous tumor-associated antigens and glyco-immune checkpoint ligands, and therefore represent a new modality for cancer immune therapy. Graphical Abstract Antibody-lectin chimeras for glyco-immune checkpoint blockade

ABSTRACT Secreted polypeptides are a fundamental biochemical axis of intercellular and endocrine communication. However, a global understanding of composition and dynamics of cellular secretomes in intact mammalian organisms has been lacking. Here, we introduce a proximity biotinylation strategy that enables labeling, detection, and enrichment of secreted polypeptides in a cell type-selective manner in mice. We generate a proteomic atlas of hepatocyte, myocyte, pericyte, and myeloid cell secretomes by direct purification of biotinylated secreted polypeptides from blood. Our secretome atlas validates known cell type-protein pairs, reveals secreted polypeptides that distinguish between cell types, and identifies new cellular sources for classical plasma proteins. Lastly, we uncover a dynamic and previously undescribed nutrient-dependent reprogramming of the hepatocyte secretome characterized by increased unconventional secretion of the cytosolic enzyme BHMT. This secretome profiling strategy enables dynamic and cell-type dissection of the plasma proteome and the secreted polypeptides that mediate intercellular signaling.

Abstract Neurons communicate with each other through electrochemical transmission at synapses. Microglia, the resident immune cells of the central nervous system, can prune these synapses through a variety of contact-dependent and -independent means. Microglial secretion of active sialidase enzymes upon exposure to inflammatory stimuli is one unexplored mechanism of pruning. Recent work from our lab showed that treatment of neurons with bacterial sialidases disrupts neuronal network connectivity. Here, we find that activated microglia secrete Neuraminidase-3 (Neu3) associated with fusogenic extracellular vesicles. Furthermore, we show Neu3 mediates contact-independent pruning of neurons and subsequent disruption of neuronal networks through neuronal glycocalyx remodeling. We observe that NEU3 is transcriptionally upregulated upon exposure to inflammatory stimuli, and that a genetic knock-out of NEU3 abrogates the sialidase activity of inflammatory microglial secretions. Moreover, we demonstrate that Neu3 is associated with a subpopulation of extracellular vesicles, possibly exosomes, that are secreted by microglia upon inflammatory insult. Finally, we demonstrate that Neu3 is both necessary and sufficient to both desialylate neurons and decrease neuronal network connectivity. These results implicate Neu3 in remodeling of the glycocalyx leading to aberrant network-level activity of neurons, with implications in neuroinflammatory diseases such as Parkinson’s disease and Alzheimer’s disease. Graphical Abstract Neuroinflammation induces secretion of the sialidase Neu3 via extracellular vesicles from microglia that prune neuronal synapses and disrupt neuronal communication.

Proteomics is the large scale study of protein structure and function from biological systems through protein identification and quantification. "Shotgun proteomics" or "bottom-up proteomics" is the prevailing strategy, in which proteins are hydrolyzed into peptides that are analyzed by mass spectrometry. Proteomics studies can be applied to diverse studies ranging from simple protein identification to studies of proteoforms, protein-protein interactions, protein structural alterations, absolute and relative protein quantification, post-translational modifications, and protein stability. To enable this range of different experiments, there are diverse strategies for proteome analysis. The nuances of how proteomic workflows differ may be challenging to understand for new practitioners. Here, we provide a comprehensive overview of different proteomics methods. We cover from biochemistry basics and protein extraction to biological interpretation and orthogonal validation. We expect this Review will serve as a handbook for researchers who are new to the field of bottom-up proteomics.

Abstract We report O-Pair Search, a new approach to identify O-glycopeptides and localize O-glycosites. Using paired collision- and electron-based dissociation spectra, O-Pair Search identifies O-glycopeptides using an ion-indexed open modification search and localizes O-glycosites using graph theory and probability-based localization. O-Pair Search reduces search times more than 2,000-fold compared to current O-glycopeptide processing software, while defining O-glycosite localization confidence levels and generating more O-glycopeptide identifications. O-Pair Search is freely available: https://github.com/smith-chem-wisc/MetaMorpheus .

Proteomics is the large scale study of protein structure and function from biological systems through protein identification and quantification. "Shotgun proteomics" or "bottom-up proteomics" is the prevailing strategy, in which proteins are hydrolyzed into peptides that are analyzed by mass spectrometry. Proteomics studies can be applied to diverse studies ranging from simple protein identification to studies of proteoforms, protein-protein interactions, protein structural alterations, absolute and relative protein quantification, post-translational modifications, and protein stability. To enable this range of different experiments, there are diverse strategies for proteome analysis. The nuances of how proteomic workflows differ may be challenging to understand for new practitioners. Here, we provide a comprehensive overview of different proteomics methods to aid the novice and experienced researcher. We cover from biochemistry basics and protein extraction to biological interpretation and orthogonal validation. We expect this work to serve as a basic resource for new practitioners in the field of shotgun or bottom-up proteomics.

SUMMARY There has been growing interest in identifying blood-borne factors that mediate tissue crosstalk and function as molecular effectors of physical activity. Although past studies have focused on an individual molecule or cell type, the organism-wide secretome response to physical activity has not been evaluated. Here, we use a cell type-specific proteomic approach to generate a 21-cell type, 10-tissue map of exercise-regulated secretomes in mice. Our dataset identifies >200 exercise-regulated cell type-secreted protein pairs, the majority of which have not been previously reported. Pdgfra -cre-labeled secretomes were the most responsive to exercise training. Elevated lactate levels can directly regulate protein secretion. Lastly, we establish an anti-obesity and anti-diabetic role for a proteoform of an intracellular carboxylesterase whose secretion from the liver is induced by exercise training. Together, our data uncover the dynamic remodeling of cell and tissue crosstalk by physical activity.