Summary Basement membranes (BMs) are ubiquitous extracellular matrices whose composition remains elusive, limiting our understanding of BM regulation and function. By developing a bioinformatic and in vivo discovery pipeline, we define a network of 222 human proteins localized to BMs. Network analysis and screening in C. elegans and zebrafish identified new BM regulators, including ADAMTS, ROBO, and TGFβ. More than 100 BM-network genes associate with human phenotypes and by screening 63,039 genomes from families with rare disorders, we discovered loss-of-function variants in LAMA5 , MPZL2 , and MATN2, and show they regulate BM composition and function. This cross-disciplinary study establishes the immense complexity and role of BMs in human health.

SUMMARY Basement membranes (BMs) are complex macromolecular networks underlying all continuous layers of cells. Essential components include type IV collagen and laminins, which are affected by human genetic defects leading to a range of debilitating conditions including kidney, muscle, and cerebrovascular phenotypes. We investigated the dynamics of BM assembly in human pluripotent stem cell-derived kidney organoids. We resolved their global BM composition and discovered a conserved temporal sequence in BM assembly that paralleled mammalian fetal kidneys. We identified the emergence of key BM isoforms, which were altered by a pathogenic variant in COL4A5 . Integrating organoid, fetal and adult kidney proteomes we found dynamic regulation of BM composition through development to adulthood, and with single-cell transcriptomic analysis we mapped the cellular origins of BM components. Overall, we define the complex and dynamic nature of vertebrate BM assembly and provide a platform for understanding its wider relevance in human development and disease.

Abstract Daily rhythms in mammalian behaviour and physiology are generated by a multi-oscillator circadian system entrained through environmental cues (e.g. light). Presence of niche-dependent physiological time cues has been proposed, allowing local tissues flexibility of phase adjustment. However, to date, such stimuli have remained elusive. Here we show that cycles of mechanical loading and osmotic stimuli within physiological range drive rhythmic expression of clock genes and reset clock phase and amplitude in cartilage and intervertebral disc tissues. Hyperosmolarity (not hypo-osmolarity) resets clocks in young and ageing skeletal tissues through mTORC2-AKT-GSK3β pathway, leading to genome-wide induction of rhythmic genes. These results advocate diurnal patterns of mechanical loading and consequent daily surges in osmolarity as a bona fide tissue niche-specific time cue to maintain skeletal circadian rhythms in sync. One-Sentence Summary Circadian clocks in aneural skeletal tissues sense the passage of time through rhythmic patterns of loading and osmolarity

Abstract Background The Fibroblastic Focus (FF) is the signature lesion of Idiopathic Pulmonary Fibrosis (IPF) where myofibroblasts accumulate and extracellular matrix (ECM) is produced. However, the molecular composition and function of the FF and surrounding tissue remain undefined. Methods Utilizing laser capture microdissection coupled mass spectrometry (LCM-MS), we interrogated the FF, adjacent mature scar, and adjacent alveoli in 6 IPF specimens plus 6 non-fibrotic alveolar specimens as controls. The data were subject to qualitative and quantitative analysis, and validation by immunohistochemistry. Results We found that the protein signature of IPF alveoli is defined by immune deregulation as the strongest category. The IPF mature scar was classified as end-stage fibrosis whereas the FF contained an overabundance of a distinctive ECM compared to non-fibrotic control. Conclusion Spatial proteomics demonstrated distinct protein compositions in the histologically defined regions of IPF tissue. These data revealed that the FF is the main site of collagen biosynthesis and that the alveoli adjacent to the FF are abnormal. This new and essential information will inform future mechanistic studies on mechanisms of IPF progression.

Abstract Chemokine driven leukocyte recruitment is a key component of the immune response and is central to a wide range of diseases. However, there has yet to be a clinically successful therapeutic approach that targets the chemokine system during inflammatory disease; possibly due to the supposed redundancy of the chemokine system. A range of recent studies have demonstrated that the chemokine system is in fact based on specificity of function. Here we have generated a resource to analyse chemokine gene (ligand and receptor) expression across different species, tissues and diseases; revealing complex expression patterns whereby multiple chemokine ligands that mediate recruitment of the same leukocyte type are expressed in the same context, e.g. the CXCR3 ligands CXCL9, 10 and 11. We use biophysical approaches to show that CXCL9, 10 and 11 have very different interactions with extracellular matrix glycosaminoglycans (GAGs) which is exacerbated by specific GAG sulphation. Finally, in vivo approaches demonstrate that GAG-binding is critical for CXCL9 driven recruitment of specific T cell subsets (e.g. CD4 + ) but not others (e.g. CD8 + ), independent of CXCR3 expression. Our data demonstrate that chemokine expression is complex and that multiple ligands are likely needed for robust leukocyte recruitment across tissues and diseases. We also demonstrate that ECM GAGs facilitate decoding of these complex chemokine signals so that they are either primarily presented on GAG-coated cell surfaces or remain more soluble. Our findings represent a new mechanistic understanding of chemokine mediated immune cell recruitment and identify novel avenues to target specific chemokines during inflammatory disease.

Summary Microenvironmental stiffness regulates the behaviour of both normal and cancer cells. In breast tissue, high mammographic density (HMD), which reflects greater organisation and stiffness of the periductal collagen, represents a significant risk factor for cancer. However, the mechanistic link between extracellular matrix (ECM) stiffness and increased risk of breast tumour initiation remains unclear. In particular, how increased ECM stiffness might promote genomic damage, leading to the acquisition of transforming mutations, remains to be determined. Here we determine that ECM stiffness induces changes in mammary epithelial cell (MEC) metabolism that drive genomic damage. Using a 3D-culture model, we demonstrate that genome-wide transcriptional changes in response to increased ECM stiffness impair the ability of MECs to remove reactive aldehyde species, resulting in greater accumulation of DNA damage in a RhoA-dependent manner. Together, our results provide a mechanistic link between increased ECM stiffness and the genomic damage required for breast cancer initiation.

Abstract Honeycombing (HC) is a histological pattern consistent with Usual Interstitial Pneumonia (UIP). HC refers to cystic airways (HC airways) located at sites of dense fibrosis with marked mucus accumulation. Utilizing laser capture microdissection coupled mass spectrometry (LCM-MS), we interrogated the fibrotic HC airway cells and fibrotic uninvolved airway cells (distant from sites of UIP and morphologically intact) in 10 UIP specimens; 6 non-fibrotic airway cell specimens served as controls. Furthermore, we performed LCM-MS on the mucus plugs found in 6 UIP and 6 mucinous adenocarcinoma (MA) specimens. The mass spectrometry data were subject to both qualitative and quantitative analysis and validated by immunohistochemistry. Surprisingly, fibrotic uninvolved airway cells share a similar protein profile to HC airway cells, showing deregulation of SLITs and ROBO pathway as the strongest category. We find that BPIFB1 is the most significantly increased secretome-associated protein in UIP, whereas MUC5AC is the most significantly increased in MA. We conclude that spatial proteomics demonstrates that the fibrotic uninvolved airway cells are abnormal. In addition, fibrotic HC airway cells are enriched in mucin biogenesis proteins with a marked derangement in proteins essential for ciliogenesis. This unbiased spatial proteomic approach will generate novel and testable hypotheses to decipher fibrosis progression.

Abstract Collagen is a key structural component of multicellular organisms and is arranged in a highly organised manner. In structural tissues such as tendons, collagen forms bundles of parallel fibres between cells, which appear within a 24 hour window between E13.5 and E14.5 during mouse embryonic development. Current models assume that the organised structure of collagen requires direct cellular control, whereby cells actively lay down collagen fibrils from cell surfaces. However, such models appear incompatible with the time- and length-scales of fibril formation. We propose a phase-transition model to account for the rapid development of ordered fibrils in embryonic tendon, reducing reliance on active cellular processes. We develop phase-field crystal simulations of collagen fibrillogenesis in domains derived from electron micrographs of inter-cellular spaces in embryonic tendon and compare results qualitatively and quantitatively to observed patterns of fibril formation. To test the prediction of this phase-transition model that free protomeric collagen should exist in the intercellular spaces prior to the formation of observable fibrils, we use laser-capture microdissection, coupled with mass spectrometry, which demonstrates steadily increasing free collagen in intercellular spaces up to E13.5, followed by a rapid reduction of free collagen that coincides with the appearance of less soluble collagen fibrils. The model and measurements together provide evidence for extracellular self-assembly of collagen fibrils in embryonic mouse tendon, supporting an additional mechanism for rapid collagen fibril formation during embryonic development.

ABSTRACT The heterotrimeric BAG6 complex coordinates the direct handover of newly synthesised tail-anchored (TA) membrane proteins from an SGTA-bound preloading complex to the endoplasmic reticulum (ER) delivery component TRC40. In contrast, defective precursors, including aberrant TA proteins, form a stable complex with this cytosolic protein quality control factor, enabling such clients to be either productively re-routed or selectively degraded. We identify the mitochondrial TA protein MAVS (mitochondrial antiviral-signalling protein) as an endogenous client of both SGTA and the BAG6 complex. Our data suggest that the BAG6 complex binds to a cytosolic pool of MAVS before its misinsertion into the ER membrane, from where it can subsequently be removed via ATP13A1-mediated dislocation. This BAG6- associated fraction of MAVS is dynamic and responds to the activation of an innate immune response, suggesting that BAG6 may modulate the pool of MAVS that is available for coordinating the cellular response to viral infection. SUMMARY STATEMENT Mitochondrial antiviral-signalling (MAVS) protein is a favoured client of the cytosolic BAG6 complex. We discuss how this dynamic interaction may modulate MAVS biogenesis at signalling membranes.

Abstract Background The mammalian retina contains high amounts of metals/metalloid-selenium. Their dyshomeostases are associated with certain retinal diseases. We carried out this bioinformatics study to identify the relationships between putative retinal metal/selenium binding proteins, their molecular functions and biological processes. Methods Identification of putative mouse metal/selenium binding proteins was based on known binding motifs, domains, patterns, and profiles. Annotations were obtained from Uniprot keyword “metal binding”, “metal ion co-factors”, “selenium proteins”. Protein functions were estimated by associative frequency with key words in UniProt annotations. The raw data of 5 mouse proteomics PRIDE datasets (available to date) were downloaded and processed with Mascot against the mouse taxa of Uniprot (SwissProt/Trembl) and MaxQuant (version 1.6.10.43) for qualitative and quantitative datasets, respectively. Clinically relevant variants were evaluated using archive and aggregates information in ClinVar. Results The 438 proteins common to all the retina proteomics datasets were used to identify over-represented Gene Ontology categories. The putative mouse retinal metal/metalloid binding proteins identified are mainly involved in: 1) metabolic processes (enzymes), 2) homeostasis, 3) transport (vesicle mediated, transmembrane, along microtubules), 4) cellular localisation, 5) regulation of signalling and exocytosis, 6) organelle organisation, 7) (de)phosphorylation and 8) complex assembly. Twenty-one proteins were identified as involved in response to light stimulus and/or visual system development. An association of metal ion binding proteins rhodopsin, photoreceptor specific nuclear receptor, calcium binding protein 4 with disease-related mutations in inherited retinal conditions was identified, where the mutations affected an area within or in close proximity to the metal binding site or domain. Conclusion These findings suggest a functional role for the putative metal/metalloid binding site in retinal proteins in certain retinal disorders.