Abstract Effective proteome homeostasis is key to cellular and organismal survival, and cells therefore contain efficient quality control systems to monitor and remove potentially toxic misfolded proteins. Such general protein quality control to a large extent relies on the efficient and robust delivery of misfolded or unfolded proteins to the ubiquitin-proteasome system. This is achieved via recognition of so-called degradation motifs—degrons—that are assumed to become exposed as a result of protein misfolding. Despite their importance, the nature and sequence properties of quality-control degrons remain elusive. Here, we have used data from a yeast-based screen of 23,600 17-residue peptides to build a predictor of quality-control degrons. The resulting model, QCDPred (Quality Control Degron Prediction), achieves good accuracy using only the sequence composition of the peptides as input. Our analysis reveals that strong degrons are enriched in hydrophobic amino acids and depleted in negatively charged amino acids, in line with the expectation that they are buried in natively folded proteins. We applied QCDPred to the yeast proteome, enabling us to analyse more widely the potential effects of degrons. As an example, we show a correlation between cellular abundance and degron potential in disordered regions of proteins. Together with recent results on membrane proteins, our work suggest that the recognition of exposed hydrophobic residues is a key and generic mechanism for proteome homeostasis. QCDPred is freely available as open source code and via a web interface.

Abstract Degrons are short stretches of amino acids or structural motifs that are embedded in proteins. They mediate recognition by E3 ubiquitin-protein ligases and thus confer protein degradation via the ubiquitin-proteasome system. Well-described degrons include the N-degrons, destruction boxes, and the PIP degrons, which mediate the controlled degradation of various proteins including signaling components and cell cycle regulators. In comparison, the so-called protein quality control (PQC) degrons that mediate the degradation of structurally destabilized or misfolded proteins are not well described. Here, we show that disease-linked DHFR missense variants are structurally destabilized and chaperone-dependent proteasome targets. We systematically mapped regions within DHFR to assess those that act as cytosolic PQC degrons in yeast cells. Two regions, DHFR-Deg13-36 (here Deg1) and DHFR-Deg61-84 (here Deg2), act as degrons and conferred degradation to unrelated fusion partners. The proteasomal turnover of Deg2 was dependent on the molecular chaperone Hsp70. Structural analyses by NMR and hydrogen/deuterium exchange revealed that Deg2 is buried in wild-type DHFR, but becomes transiently exposed in the disease-linked missense variants.

Summary Control over a healthy proteome begins with the birth of the polypeptide chain and ends with coordinated protein degradation. One of the major players in eukaryotic protein degradation is the essential and highly conserved ATPase, Cdc48 (p97/VCP in mammals). Cdc48 mediates clearance of misfolded proteins from the nucleus, cytosol, ER, mitochondria, and more. Here we dissect the crosstalk between cellular oxidation and Cdc48 activity by identification of a redox-sensitive site, Cys115. By integrating proteomics, biochemistry, microscopy, and bioinformatics, we show that removal of Cys115’s redox-sensitive thiol group leads to accumulation of Cdc48 in the nucleus and consequently, results in severe defects in the oxidative stress response, mitochondrial fragmentation, and a decrease in ERAD and sterol biogenesis. We have thus identified a unique redox switch in Cdc48, which may provide a clearer picture of the importance of Cdc48’s localization in maintaining a “healthy” proteome during oxidative stress and chronological aging in yeast.

Summary The eukaryotic proteome undergoes constant surveillance by quality control systems that either sequester, refold, or eliminate aberrant proteins by ubiquitin-dependent mechanisms. Ubiquitin-conjugation necessitates the recognition of degradation determinants, termed degrons, by their cognate E3 ubiquitin-protein ligases. To learn about the distinctive properties of quality control degrons, we performed an unbiased peptidome stability screen in yeast. The search identified a large cohort of proteome-derived degrons, some of which exhibited broad E3 ligase specificity. Consequent application of a machine-learning algorithm established constraints governing degron potency, including the amino acid composition and secondary structure propensities. According to the set criteria, degrons with transmembrane domain-like characteristics are the most probable sequences to act as degrons. Similar quality control degrons were identified in viral and human proteins, suggesting conserved degradation mechanisms. Altogether, the emerging data indicate that transmembrane domain-like degron features have been preserved in evolution as key quality control determinants of proteins’ half-life.

Cellular redox status affects diverse cellular functions, including proliferation, protein homeostasis, and aging. Thus, individual differences in redox status can give rise to distinct sub-populations even among cells with identical genetic backgrounds. Here, we have created a novel methodology to track redox status at single cell resolution using in-vivo redox-sensitive sensor. Our method allows identification and sorting of sub-populations with different oxidation levels in either the cytosol, mitochondria or peroxisomes. Using this approach we defined redox-dependent heterogeneity of yeast cells, and characterized growth, division as well as proteomic and transcriptomic profiles of subpopulations of cells that differ in their redox status, but are similar in age. A comparative analysis between these populations identified three key proteins, Hsp30, Dhh1, and Pnc1, which affect basal oxidation levels and may serve as first line of defense proteins in redox homeostasis.

Germline mutations in the folliculin (FLCN) tumor suppressor gene are linked to Birt-Hogg-Dubé (BHD) syndrome, a dominantly inherited genetic disease characterized by predisposition to fibrofolliculomas, lung cysts, and renal cancer. Most BHD-linked FLCN variants include large deletions and splice site aberrations predicted to cause loss of function. The mechanisms by which missense variants and short in-frame deletions in FLCN trigger disease are unknown. Here, we present computational and experimental studies showing that the majority of such disease-causing FLCN variants cause loss of function due to proteasomal degradation of the encoded FLCN protein, rather than directly ablating FLCN function. Accordingly, several different single-site FLCN variants are present at strongly reduced levels in cells. In line with our finding that FLCN variants are protein quality control targets, several are also highly insoluble and fail to associate with the FLCN-binding partners FNIP1 and FNIP2. The lack of FLCN binding leads to rapid proteasomal degradation of FNIP1 and FNIP2. Half of the tested FLCN variants are mislocalized in cells, and one variant (ΔE510) forms perinuclear protein aggregates. A yeast-based screen revealed that the deubiquitylating enzyme Ubp15/USP7 and molecular chaperones regulate the turnover of the FLCN variants. Lowering the temperature to 29 °C led to a stabilization of two FLCN missense proteins, and for one variant (R362C), FLCN function was re-established at low temperature. In conclusion, we propose that most BHD-linked FLCN missense variants and small in-frame deletions operate by causing misfolding and degradation of the FLCN protein, and that stabilization of certain disease-linked variants may hold therapeutic potential.