We describe an automated method for shotgun proteomics named multidimensional protein identification technology (MudPIT), which combines multidimensional liquid chromatography with electrospray ionization tandem mass spectrometry. The multidimensional liquid chromatography method integrates a strong cation-exchange (SCX) resin and reversed-phase resin in a biphasic column. We detail the improvements over a system described by Link et al. (Link, A. J.; Eng, J.; Schieltz, D. M.; Carmack, E.; Mize, G. J.; Morris, D. R.; Garvik, B. M.; Yates, J. R., III. Nat. Biotechnol. 1999, 17, 676−682) that separates and acquires tandem mass spectra for thousands of peptides. Peptides elute off the SCX phase by increasing pI, and elution off the SCX material is evenly distributed across an analysis. In addition, we describe the chromatographic benchmarks of MudPIT. MudPIT was reproducible within 0.5% between two analyses. Furthermore, a dynamic range of 10 000 to 1 between the most abundant and least abundant proteins/peptides in a complex peptide mixture has been demonstrated. By improving sample preparation along with separations, the method improves the overall analysis of proteomes by identifying proteins of all functional and physical classes.

The Contaminant Repository for Affinity Purification (CRAPome) is a database of annotated negative control-data that can be used for filtering out nonspecific interactions in affinity purification-mass spectrometry experiments. Affinity purification coupled with mass spectrometry (AP-MS) is a widely used approach for the identification of protein-protein interactions. However, for any given protein of interest, determining which of the identified polypeptides represent bona fide interactors versus those that are background contaminants (for example, proteins that interact with the solid-phase support, affinity reagent or epitope tag) is a challenging task. The standard approach is to identify nonspecific interactions using one or more negative-control purifications, but many small-scale AP-MS studies do not capture a complete, accurate background protein set when available controls are limited. Fortunately, negative controls are largely bait independent. Hence, aggregating negative controls from multiple AP-MS studies can increase coverage and improve the characterization of background associated with a given experimental protocol. Here we present the contaminant repository for affinity purification (the CRAPome) and describe its use for scoring protein-protein interactions. The repository (currently available for Homo sapiens and Saccharomyces cerevisiae) and computational tools are freely accessible at http://www.crapome.org/ .

The completion of the Plasmodium falciparum clone 3D7 genome provides a basis on which to conduct comparative proteomics studies of this human pathogen. Here, we applied a high-throughput proteomics approach to identify new potential drug and vaccine targets and to better understand the biology of this complex protozoan parasite. We characterized four stages of the parasite life cycle (sporozoites, merozoites, trophozoites and gametocytes) by multidimensional protein identification technology. Functional profiling of over 2,400 proteins agreed with the physiology of each stage. Unexpectedly, the antigenically variant proteins of var and rif genes, defined as molecules on the surface of infected erythrocytes, were also largely expressed in sporozoites. The detection of chromosomal clusters encoding co-expressed proteins suggested a potential mechanism for controlling gene expression.

Yeast Rpd3 histone deacetylase plays an important role at actively transcribed genes. We characterized two distinct Rpd3 complexes, Rpd3L and Rpd3S, by MudPIT analysis. Both complexes shared a three subunit core and Rpd3L contains unique subunits consistent with being a promoter targeted corepressor. Rco1 and Eaf3 were subunits specific to Rpd3S. Mutants of RCO1 and EAF3 exhibited increased acetylation in the FLO8 and STE11 open reading frames (ORFs) and the appearance of aberrant transcripts initiating within the body of these ORFs. Mutants in the RNA polymerase II-associated SET2 histone methyltransferase also displayed these defects. Set2 functioned upstream of Rpd3S and the Eaf3 methyl-histone binding chromodomain was important for recruitment of Rpd3S and for deacetylation within the STE11 ORF. These data indicate that Pol II-associated Set2 methylates H3 providing a transcriptional memory which signals for deacetylation of ORFs by Rpd3S. This erases transcription elongation-associated acetylation to suppress intragenic transcription initiation.

HIV-1 is unable to replicate efficiently in dendritic cells, the antigen-presenting tissue cells that function in both innate and adaptive immunity. Other primate lentiviruses, including HIV-2 and some simian immunodeficiency viruses, express a protein called Vpx that is able to overcome the block to replication. Two groups now report the identification of the restriction factor in dendritic cells and macrophages that is overcome by Vpx. Vpx is found to induce degradation of the protein SAMHD1. Mutations in SAMHD1 cause Aicardi–Goutières syndrome, a disorder characterized by inappropriate activation of the immune system. Knockdown of SAMHD1 increases HIV-1 replication in dendritic cells, which could be important for generating appropriate immune responses to the virus. Macrophages and dendritic cells have key roles in viral infections, providing virus reservoirs that frequently resist antiviral therapies and linking innate virus detection to antiviral adaptive immune responses1,2. Human immunodeficiency virus 1 (HIV-1) fails to transduce dendritic cells and has a reduced ability to transduce macrophages, due to an as yet uncharacterized mechanism that inhibits infection by interfering with efficient synthesis of viral complementary DNA3,4. In contrast, HIV-2 and related simian immunodeficiency viruses (SIVsm/mac) transduce myeloid cells efficiently owing to their virion-associated Vpx accessory proteins, which counteract the restrictive mechanism5,6. Here we show that the inhibition of HIV-1 infection in macrophages involves the cellular SAM domain HD domain-containing protein 1 (SAMHD1). Vpx relieves the inhibition of lentivirus infection in macrophages by loading SAMHD1 onto the CRL4DCAF1 E3 ubiquitin ligase, leading to highly efficient proteasome-dependent degradation of the protein. Mutations in SAMHD1 cause Aicardi–Goutières syndrome, a disease that produces a phenotype that mimics the effects of a congenital viral infection7,8. Failure to dispose of endogenous nucleic acid debris in Aicardi–Goutières syndrome results in inappropriate triggering of innate immune responses via cytosolic nucleic acids sensors9,10. Thus, our findings show that macrophages are defended from HIV-1 infection by a mechanism that prevents an unwanted interferon response triggered by self nucleic acids, and uncover an intricate relationship between innate immune mechanisms that control response to self and to retroviral pathogens.

We have devised an approach for analyzing shotgun proteomics datasets based on the normalized spectral abundance factor that can be used for quantitative proteomics analysis. Three biological replicates of samples enriched for plasma membranes were isolated from S. cerevisiae grown in 14N-rich media and 15N-minimal media and analyzed via quantitative multidimensional protein identification technology. The natural log transformation of NSAF values from S. cerevisiae cells grown in 14N YPD media and 15N-minimal media had a normal distribution. The t-test analysis demonstrated 221 of 1316 proteins were significantly overexpressed in one or the other growth conditions with a p value <0.05. Notably, amino acid transporters were among the 14 membrane proteins that were significantly upregulated in cells grown in minimal media, and we functionally validated these increases in protein expression with radioisotope uptake assays for selected proteins.

Phosphorylation of the human histone variant H2A.X and H2Av, its homolog in Drosophila melanogaster, occurs rapidly at sites of DNA double-strand breaks. Little is known about the function of this phosphorylation or its removal during DNA repair. Here, we demonstrate that the Drosophila Tip60 (dTip60) chromatin-remodeling complex acetylates nucleosomal phospho-H2Av and exchanges it with an unmodified H2Av. Both the histone acetyltransferase dTip60 as well as the adenosine triphosphatase Domino/p400 catalyze the exchange of phospho-H2Av. Thus, these data reveal a previously unknown mechanism for selective histone exchange that uses the concerted action of two distinct chromatin-remodeling enzymes within the same multiprotein complex.

Large-scale genomics has enabled proteomics by creating sequence infrastructures that can be used with mass spectrometry data to identify proteins. Although protein sequences can be deduced from nucleotide sequences, posttranslational modifications to proteins, in general, cannot. We describe a process for the analysis of posttranslational modifications that is simple, robust, general, and can be applied to complicated protein mixtures. A protein or protein mixture is digested by using three different enzymes: one that cleaves in a site-specific manner and two others that cleave nonspecifically. The mixture of peptides is separated by multidimensional liquid chromatography and analyzed by a tandem mass spectrometer. This approach has been applied to modification analyses of proteins in a simple protein mixture, Cdc2p protein complexes isolated through the use of an affinity tag, and lens tissue from a patient with congenital cataracts. Phosphorylation sites have been detected with known stoichiometry of as low as 10%. Eighteen sites of four different types of modification have been detected on three of the five proteins in a simple mixture, three of which were previously unreported. Three proteins from Cdc2p isolated complexes yielded eight sites containing three different types of modifications. In the lens tissue, 270 proteins were identified, and 11 different crystallins were found to contain a total of 73 sites of modification. Modifications identified in the crystallin proteins included Ser, Thr, and Tyr phosphorylation, Arg and Lys methylation, Lys acetylation, and Met, Tyr, and Trp oxidations. The method presented will be useful in discovering co- and posttranslational modifications of proteins.

Chromosomal translocations involving the MLL gene are associated with infant acute lymphoblastic and mixed lineage leukemia. There are a large number of translocation partners of MLL that share very little sequence or seemingly functional similarities; however, their translocations into MLL result in the pathogenesis of leukemia. To define the molecular reason why these translocations result in the pathogenesis of leukemia, we purified several of the commonly occurring MLL chimeras. We have identified super elongation complex (SEC) associated with all chimeras purified. SEC includes ELL, P-TEFb, AFF4, and several other factors. AFF4 is required for SEC stability and proper transcription by poised RNA polymerase II in metazoans. Knockdown of AFF4 in leukemic cells shows reduction in MLL chimera target gene expression, suggesting that AFF4/SEC could be a key regulator in the pathogenesis of leukemia through many of the MLL partners.