Venous thrombi, fibrin- and rbc-rich clots triggered by inflammation and blood stasis, underlie devastating, and sometimes fatal, occlusive events. During intravascular fibrin deposition, rbc are thought to become passively trapped in thrombi and therefore have not been considered a modifiable thrombus component. In the present study, we determined that activity of the transglutaminase factor XIII (FXIII) is critical for rbc retention within clots and directly affects thrombus size. Compared with WT mice, mice carrying a homozygous mutation in the fibrinogen γ chain (Fibγ390-396A) had a striking 50% reduction in thrombus weight due to reduced rbc content. Fibrinogen from mice harboring the Fibγ390-396A mutation exhibited reduced binding to FXIII, and plasma from these mice exhibited delayed FXIII activation and fibrin crosslinking, indicating these residues mediate FXIII binding and activation. FXIII-deficient mice phenocopied mice carrying Fibγ390-396A and produced smaller thrombi with fewer rbc than WT mice. Importantly, FXIII-deficient human clots also exhibited reduced rbc retention. The addition of FXIII to FXIII-deficient clots increased rbc retention, while inhibition of FXIII activity in normal blood reduced rbc retention and produced smaller clots. These findings establish the FXIII-fibrinogen axis as a central determinant in venous thrombogenesis and identify FXIII as a potential therapeutic target for limiting venous thrombosis.

Targeted degradation of cell surface and extracellular proteins via lysosomal delivery is an important means to modulate extracellular biology. However, these approaches have limitations due to lack of modularity, ease of development, restricted tissue targeting and applicability to both cell surface and extracellular proteins. We describe a lysosomal degradation strategy, termed cytokine receptor-targeting chimeras (KineTACs), that addresses these limitations. KineTACs are fully genetically encoded bispecific antibodies consisting of a cytokine arm, which binds its cognate cytokine receptor, and a target-binding arm for the protein of interest. We show that KineTACs containing the cytokine CXCL12 can use the decoy recycling receptor, CXCR7, to target a variety of target proteins to the lysosome for degradation. Additional KineTACs were designed to harness other CXCR7-targeting cytokines, CXCL11 and vMIPII, and the interleukin-2 (IL-2) receptor-targeting cytokine IL-2. Thus, KineTACs represent a general, modular, selective and simple genetically encoded strategy for inducing lysosomal delivery of extracellular and cell surface targets with broad or tissue-specific distribution.

Neutralizing agents against SARS-CoV-2 are urgently needed for treatment and prophylaxis of COVID-19. Here, we present a strategy to rapidly identify and assemble synthetic human variable heavy (VH) domain binders with high affinity toward neutralizing epitopes without the need for high-resolution structural information. We constructed a VH-phage library and targeted a known neutralizing site, the angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2) binding interface of the trimeric SARS-CoV-2 Spike receptor-binding domain (Spike-RBD). Using a masked selection approach, we identified 85 unique VH binders to two non-overlapping epitopes within the ACE2 binding site on Spike-RBD. This enabled us to systematically link these VH domains into multivalent and bi-paratopic formats. These multivalent and bi-paratopic VH constructs showed a marked increase in affinity to Spike (up to 600-fold) and neutralization potency (up to 1400-fold) on pseudotyped SARS-CoV-2 virus when compared to the standalone VH domains. The most potent binder, a trivalent VH, neutralized authentic SARS-CoV-2 with half-minimal inhibitory concentration (IC

Abstract Characterization of cell surface proteome differences between cancer and healthy cells is a valuable approach for the identification of novel diagnostic and therapeutic targets. However, selective sampling of surface proteins for proteomics requires large samples (>10e7 cells) and long labeling times. These limitations preclude analysis of material-limited biological samples or the capture of rapid surface proteomic changes. Here, we present two labeling approaches to tether exogenous peroxidases (APEX2 and HRP) directly to cells, enabling rapid, small-scale cell surface biotinylation without the need to engineer cells. We used a novel lipidated DNA-tethered APEX2 (DNA-APEX2), which upon addition to cells promoted cell agnostic membrane-proximal labeling. Alternatively, we employed horseradish peroxidase (HRP) fused to the glycan binding domain of wheat germ agglutinin (WGA-HRP). This approach yielded a rapid and commercially inexpensive means to directly label cells containing common N-Acetylglucosamine (GlcNAc) and sialic acid glycans on their surface. The facile WGA-HRP method permitted high surface coverage of cellular samples and enabled the first comparative surface proteome characterization of cells and cell-derived exosomes, leading to the robust quantification of 1,020 cell and exosome surface proteins. We identified a newly-recognized subset of exosome-enriched markers, as well as proteins that are uniquely upregulated on Myc oncogene-transformed prostate cancer exosomes. These two cell-tethered enzyme surface biotinylation approaches are highly advantageous for rapidly and directly labeling surface proteins across a range of material-limited sample types.

Abstract SPACA6 is a sperm-expressed surface protein that is critical for gamete fusion during mammalian sexual reproduction. Despite this fundamental role, little is known about how SPACA6 specifically functions. We elucidated the crystal structure of SPACA6 at 2.2-Å resolution, revealing a two-domain protein containing a four-helix bundle and Ig-like β-sandwich connected via a quasi-flexible linker. Based on the structural analysis, we propose SPACA6 is a founding member of a superfamily of gamete fusion-associated proteins, herein dubbed the IST superfamily. The IST superfamily is defined structurally by its distorted four-helix bundle and a pair of disulfide-bonded CXXC motifs. A structure-based search of the AlphaFold human proteome identified more protein members to this superfamily; remarkably, many of these proteins are linked to gamete fusion. The SPACA6 structure and its connection to other IST-superfamily members provide a missing link in our knowledge of mammalian gamete fusion. Significance Statement SPACA6 is a human sperm protein vital for the fusion of gametes, though its exact function remains a mystery. We present the first solved structure of SPACA6: a two-domain fold comprised of an Ig-like domain and a distorted four-helix bundle. Dali searches of the PDB and AlphaFold reveal a family of structurally related proteins, several of which are also known to play a role in gamete fusion; as such, SPACA6 is a founding member of a conserved protein superfamily, dubbed the IST superfamily. Evolutionary analysis to ascertain functionally relevant structural elements in SPACA6 show a conservation of flexibility between the two domains and several conserved surfaces that could function as protein-protein interfaces.

Abstract PVRL2 is believed to act as an immune checkpoint protein in cancer; however, most insight into PVRL2’s role is inferred from studies on its known receptor PVRIG. Here, we directly study PVRL2. PVRL2 levels are high in tumor cells and tumor-derived exosomes. Deletion of PVRL2 in multiple syngeneic mouse models of cancer shows a dramatic reduction in tumor growth that is immune dependent. This effect can be even greater than seen with deletion of PD-L1. PVRL2 functions by suppressing CD8 T and NK cells in the tumor microenvironment. Unexpectedly, the effect of PVRL2 loss on tumor growth remains in the absence of PVRIG. In contrast, PVRIG loss shows no additive effect in the absence of PVRL2. TIGIT blockade combined with PVRL2 deletion results in the greatest reduction in tumor growth. This effect is not recapitulated by the combined deletion of PVRL2 with its paralog PVR, the ligand for TIGIT. These data uncover PVRL2 as a distinct inhibitor of the anti-tumor immune response with functions beyond that of its known receptor PVRIG. Importantly, the data provide a strong rationale for combinatorial targeting of PVRL2 and TIGIT for cancer immunotherapy.

The cell surface proteome, or surfaceome, is encoded by more than 4000 genes, but we are only beginning to understand the complexes they form. Rapid proximity labeling around specific membrane targets allows for capturing weak and transient interactions expected in the crowded and dynamic environment of the surfaceome. Recently, a high-resolution approach called μMap has been described (Geri, J. B., Oakley, J. V., Reyes-Robles, T., Wang, T., McCarver, S. J., White, C. H., Rodriguez-Rivera, F. P., Parker, D. L., Hett, E. C., Fadeyi, O. O., Oslund, R. C., and MacMillan, D. W. C. (2020) Science 367 , 1091-1097) in which an iridium (Ir)-based photocatalyst is attached to a specific antibody to target labeling of neighbors utilizing light-activated generation of carbenes from diazirine compounds via Dexter Energy Transfer (DET). Here we studied and optimized the spatial resolution for the method using an oncoprotein complex between the antibody drug, trastuzumab (Traz), and its target HER2. A set of eight single site-specific Ir-catalytic centers were engineered into Traz to study intra- and inter-molecular labeling in vitro and on cells by mass spectrometry. From this structurally well-characterized complex we observed a maximum distance of ∼110 Å for labeling. Labeling occurred almost uniformly over the full range of amino acids, unlike the residue specific labeling of other techniques. To examine on cell labeling that is specific to HER2 as opposed to simply being on the membrane, we compared the labeling patterns for the eight Traz-catalyst species to random labeling of membrane proteins using a metabolically integrated fatty acid catalyst. Our results identified 20 high confidence HER2 neighbors, many novel, that were more than 6-fold enriched compared to the non-specific membrane tethered catalyst. These studies define distance labeling parameters from single-site catalysts placed directly on the membrane target of interest, and more accurately compare to non-specific labeling to identify membrane complexes with higher confidence.

ABSTRACT Immunosuppressive factors in the tumor microenvironment (TME) impair T cell function and limit the anti-tumor immune response. T cell surface receptors that influence interactions and function in the TME are already proven targets for cancer immunotherapy. However, surface proteome remodeling of primary human T cells in response to suppressive forces in the TME has never been characterized systematically. Using a reductionist cell culture approach with primary human T cells and SILAC-based quantitative cell surface capture glycoproteomics, we examined how two immunosuppressive TME factors, regulatory T cells (Tregs) and hypoxia, globally affect the activated CD8 + surface proteome (surfaceome). Surprisingly, the CD8 + /Treg co-culture only modestly affected the CD8 + surfaceome, but did reverse several activation-induced surfaceomic changes. In contrast, hypoxia dramatically altered the CD8 + surfaceome in a manner consistent with both metabolic reprogramming and induction of an immunosuppressed state. The CD4 + T cell surfaceome similarly responded to hypoxia, revealing a novel hypoxia-induced surface receptor program. Our findings are consistent with the premise that hypoxic environments create a metabolic challenge for T cell activation, which may underlie the difficulty encountered in treating solid tumors with immunotherapies. Together, the data presented here provide insight into how suppressive TME factors remodel the T cell surfaceome and represent a valuable resource to inform future therapeutic efforts to enhance T cell function in the TME.

N terminomics is a powerful strategy for profiling proteolytic neo-N termini, but its application to cell surface proteolysis has been limited by the low relative abundance of plasma membrane proteins. Here we apply plasma membrane-targeted subtiligase variants to efficiently and specifically capture cell surface N termini in live cells. Using this approach, we sequenced 807 cell surface N termini and quantified changes in their abundance in response to stimuli that induce proteolytic remodeling of the cell surface proteome. This technology will facilitate greater understanding of extracellular protease biology and reveal neo-N termini biomarkers and targets in disease.