Advances in proteomic techniques have allowed the large-scale identification of phosphorylation sites in complex protein samples, but new biological insight requires an understanding of their in vivo dynamics. Here, we demonstrate the use of a stable isotope-based quantitative approach for pathway discovery and structure-function studies in Arabidopsis cells treated with the bacterial elicitor flagellin. The quantitative comparison identifies individual sites on plasma membrane (PM) proteins that undergo rapid phosphorylation or dephosphorylation. The data reveal both divergent dynamics of different sites within one protein and coordinated regulation of homologous sites in related proteins, as found for the PM H(+)-ATPases AHA1, 2 and 3. Strongly elicitor-responsive phosphorylation sites may reflect direct regulation of protein activity. We confirm this prediction for RbohD, an NADPH oxidase that mediates the rapid production of reactive oxygen species (ROS) in response to elicitors and pathogens. Plant NADPH oxidases are structurally distinct from their mammalian homologues, and regulation of the plant enzymes is poorly understood. On RbohD, we found both unchanging and strongly induced phosphorylation sites. By complementing an RbohD mutant plant with non-phosphorylatable forms of RbohD, we show that only those sites that undergo differential regulation are required for activation of the protein. These experiments demonstrate the potential for use of quantitative phosphoproteomics to determine regulatory mechanisms at the molecular level and provide new insights into innate immune responses.

The role of protein phosphorylation in the life cycle of malaria parasites is slowly emerging. Here we combine global phospho-proteomic analysis with kinome-wide reverse genetics to assess the importance of protein phosphorylation in Plasmodium falciparum asexual proliferation. We identify 1177 phosphorylation sites on 650 parasite proteins that are involved in a wide range of general cellular activities such as DNA synthesis, transcription and metabolism as well as key parasite processes such as invasion and cyto-adherence. Several parasite protein kinases are themselves phosphorylated on putative regulatory residues, including tyrosines in the activation loop of PfGSK3 and PfCLK3; we show that phosphorylation of PfCLK3 Y526 is essential for full kinase activity. A kinome-wide reverse genetics strategy identified 36 parasite kinases as likely essential for erythrocytic schizogony. These studies not only reveal processes that are regulated by protein phosphorylation, but also define potential anti-malarial drug targets within the parasite kinome. New approaches are required to combatPlasmodium falciparuminfection. In this proteome-wide study, 1305 phosphorylation sites are identified and 36 kinases are shown to have crucial roles in parasite survival, providing new insights into parasite biology and potential new drug targets for anti-malarial chemotherapy.

Abstract Eukaryotic cell proliferation requires chromosome replication and precise segregation to ensure daughter cells have identical genomic copies. The genus Plasmodium , the causative agent of malaria, displays remarkable aspects of nuclear division throughout its lifecycle to meet some peculiar and unique challenges of DNA replication and chromosome segregation. The parasite undergoes atypical endomitosis and endoreduplication with an intact nuclear membrane and intranuclear mitotic spindle. To understand these diverse modes of Plasmodium cell division, we have studied the behaviour and composition of the outer kinetochore NDC80 complex, a key part of the mitotic apparatus that attaches the centromere of chromosomes to microtubules of the mitotic spindle. Using NDC80-GFP live-cell imaging in Plasmodium berghei we observe dynamic spatiotemporal changes during proliferation, including highly unusual kinetochore arrangements during sexual stages. We identify a very divergent candidate for the SPC24 subunit of the NDC80 complex, previously thought to be missing in Plasmodium , which completes a canonical, albeit unusual, NDC80 complex structure. Altogether, our studies reveal the kinetochore as an ideal tool to investigate the non-canonical modes of chromosome segregation and cell division in Plasmodium. Summary Statement The dynamic localization of kinetochore marker NDC80 protein complex during proliferative stages of the malaria parasite life cycle reveals unique modes of chromosome segregation.

ABSTRACT The most prevalent types of dementias, including Alzheimer’s disease, are those that are propagated via the spread of “prion-like” misfolded proteins. Despite considerable effort no treatments are available to slow or stop the progression of these dementias. Here we investigate the possibility that activation of the M 1 -muscarinic receptor (M 1 -receptor), which is highly expressed in the brain and that shows pro-cognitive properties, might present a novel disease modifying target. We demonstrate that the progression of murine prion disease, which we show here displays many of the pathological, behavioural and biochemical hallmarks of human neurodegenerative disease, is slowed and normal behaviour maintained by the activation of the M 1 -receptor with a highly tolerated positive allosteric modulator (VU846). This correlates with a reduction in both neuroinflammation and indicators of mitochondrial dysregulation, as well as a normalisation in the expression of markers associated with neurodegeneration and Alzheimer’s disease. Furthermore, VU846 preserves expression of synaptic proteins and post-synaptic signalling components that are altered in disease. We conclude that allosteric regulation of M 1 -receptors has the potential to reduce the severity of neurodegenerative diseases caused by the prion-like propagation of misfolded protein in a manner that extends life span and maintains normal behaviour.

Abstract PP1 is a conserved eukaryotic serine/threonine phosphatase that regulates many aspects of mitosis and meiosis, often working in concert with other phosphatases, such as CDC14 and CDC25. The proliferative stages of the malaria parasite life cycle include sexual development within the mosquito vector, with male gamete formation characterized by an atypical rapid mitosis, consisting of three rounds of DNA synthesis, successive spindle formation with clustered kinetochores, and a meiotic stage during zygote to ookinete development following fertilization. It is unclear how PP1 is involved in these unusual processes. Using real-time live-cell and ultrastructural imaging, conditional gene knockdown, RNA-seq and proteomic approaches, we show that Plasmodium PP1 is implicated in both mitotic exit and, potentially, establishing cell polarity during zygote development in the mosquito midgut, suggesting that small molecule inhibitors of PP1 should be explored for blocking parasite transmission.

Abstract The advance of DNA sequencing technologies has drastically changed our perception of the complexity and structure of the plant microbiome and its role in augmenting plant health. By comparison, our ability to accurately identify the metabolically active fraction of soil microbiota and their specific functional role is relatively limited. Here, we combined our recently developed protein extraction method and an iterative bioinformatics pipeline to enable the capture and identification of extracellular proteins (meta-exoproteomics) expressed in the rhizosphere of Brassica spp. First, we validated our method in the laboratory by successfully identifying proteins related to the host plant ( Brassica rapa ) and a bacterial inoculant, Pseudomonas putida BIRD-1, revealing the latter expressed numerous rhizosphere specific proteins linked to the acquisition of plant-derived nutrients. Next, we analysed natural field-soil microbial communities associated with Brassica napus L (Oil Seed rape). By combining deep-sequencing metagenomics with meta-exoproteomics, a total of 1882 proteins were identified in bulk and rhizosphere samples. Importantly, meta-exoproteomics identified a clear shift (p<0.001) in the metabolically active fraction of the soil microbiota responding to the presence of B. napus roots that was not apparent in the composition of the total microbial community (metagenome). This metabolic shift was associated with the stimulation of rhizosphere-specialised bacteria, such as Gammaproteobacteria , Betaproteobacteria and Flavobacteriia and the upregulation of plant beneficial functions related to phosphorus and nitrogen mineralisation. By providing the first meta-proteomic level assessment of the ‘active’ plant microbiome at the field-scale, this study demonstrates the importance of moving past a genomic assessment of the plant microbiome in order to determine ecologically important plant: microbe interactions driving plant growth.

Abstract Mitosis is an important process in the cell cycle required for cells to divide. Never in mitosis (NIMA)-like kinases (NEKs) are regulators of mitotic functions in diverse organisms. Plasmodium spp , the causative agent of malaria is a divergent unicellular haploid eukaryote with some unusual features in terms of its mitotic and nuclear division cycle that presumably facilitate proliferation in varied environments. For example, during the sexual stage of male gametogenesis that occurs within the mosquito host, an atypical rapid closed endomitosis is observed. Three rounds of genome replication from 1N to 8N and successive cycles of multiple spindle formation and chromosome segregation occur within eight minutes followed by karyokinesis to generate haploid gametes. Our previous Plasmodium berghei kinome screen identified four Nek genes, of which two, NEK2 and NEK4, are required for meiosis. NEK1 is likely to be essential for mitosis in asexual blood stage schizogony in the vertebrate host, but its function during male gametogenesis is unknown. Here, we study NEK1 location and function, using live cell imaging, ultrastructure expansion microscopy (U-ExM) and electron microscopy, together with conditional gene knockdown and proteomic approaches. We report spatiotemporal NEK1 location in real-time, coordinated with microtubule organising centre (MTOC) dynamics during the unusual mitoses at various stages of the Plasmodium spp. life cycle. Knockdown studies reveal NEK1 to be an essential component of the MTOC in male cell differentiation, associated with rapid mitosis, spindle formation and kinetochore attachment. These data suggest that Plasmodium berghei NEK1 kinase is an important component of MTOC organisation and essential regulator of chromosome segregation during male gamete formation.

Abstract Mechanisms of cell division are remarkably diverse, suggesting the underlying molecular networks among eukaryotes differ extensively. The Aurora family of kinases orchestrates the process of chromosome segregation and cytokinesis during cell division through precise spatiotemporal regulation of their catalytic activities by distinct scaffolds. Plasmodium spp., the causative agents of malaria, are unicellular eukaryotes that have three divergent aurora-related kinases (ARKs) and lack most canonical scaffolds/activators. The parasite uses unconventional modes of chromosome segregation during endomitosis and meiosis in sexual transmission stages within mosquito host. This includes a rapid threefold genome replication from 1N to 8N with successive cycles of closed mitosis, spindle formation and chromosome segregation within eight minutes (termed male gametogony). Kinome studies had previously suggested likely essential functions for all three Plasmodium ARKs during asexual mitotic cycles; however, little is known about their location, function, or their scaffolding molecules during unconventional sexual proliferative stages. Using a combination of super-resolution microscopy, mass spectrometry, and live-cell fluorescence imaging, we set out to investigate the role of the atypical Aurora paralog ARK2 to proliferative sexual stages using rodent malaria model Plasmodium berghei . We find that ARK2 primarily localises to the spindle apparatus in the vicinity of kinetochores during both mitosis and meiosis. Interactomics and co-localisation studies reveal a unique ARK2 scaffold at the spindle including the microtubule plus end-binding protein EB1, lacking conserved Aurora scaffold proteins. Gene function studies indicate complementary functions of ARK2 and EB1 in driving endomitotic divisions and thereby parasite transmission. Our discovery of a novel Aurora kinase spindle scaffold underlines the emerging flexibility of molecular networks to rewire and drive unconventional mechanisms of chromosome segregation in the malaria parasite Plasmodium .

ABSTRACT Sam68 is a member of the STAR family of proteins that directly link signal transduction with post-transcriptional gene regulation. Sam68 controls the alternative splicing of many oncogenic proteins and its role is modulated by post-translational modifications, including serine/threonine phosphorylation, that differ at various stages of the cell cycle. However, the molecular basis and mechanisms of these modulations remain largely unknown. Here, we combined mass spectrometry, NMR spectroscopy, and cell biology techniques to provide a comprehensive post-translational modification (PTM) mapping of Sam68 at different stages of the cell cycle in HEK293 and HCT116 cells. We established that Sam68 is specifically phosphorylated at T33 and T317 by Cdk1, and demonstrated that these phosphorylation events reduce the binding of Sam68 to RNA, control its cellular localization, and reduce its alternative splicing activity, leading to a reduction in the induction of apoptosis and an increase in the proliferation of HCT116 cells.

Site-specific incorporation of un-natural amino acids (UNAA) is a powerful approach to engineer and understand protein function [[1][1]-[4][2]]. Site-specific incorporation of UNAAs is achieved through repurposing the amber codon (UAG) as a sense codon for the UNAA, a tRNACUA that base pairs with an UAG codon in the mRNA and an orthogonal amino-acyl tRNA synthetase (aaRS) that charges the tRNACUA with the UNAA [[5][3], [6][4]]. Here, we report expansion of the zebrafish genetic code to incorporate the UNAAs, Azido-lysine (AzK), bicyclononyne-lysine (BCNK), and Diazirine-lysine (AbK) into green fluorescent protein (GFP) and Glutathione-S-transferase (GST). We also present proteomic evidence for UNAA incorporation into GFP. Our work sets the stage for the use of UNAA mutagenesis to investigate and engineer protein function in zebrafish. [1]: #ref-1 [2]: #ref-4 [3]: #ref-5 [4]: #ref-6