Abstract The SARS-CoV-2 RNA genome contains a 5’-cap that facilitates translation of viral proteins, protection from exonucleases and evasion of the host immune response 1-4 . How this cap is made is not completely understood. Here, we reconstitute the SARS-CoV-2 7Me GpppA 2’-O-Me -RNA cap using virally encoded non-structural proteins (nsps). We show that the kinase-like NiRAN domain 5 of nsp12 transfers RNA to the amino terminus of nsp9, forming a covalent RNA-protein intermediate (a process termed RNAylation). Subsequently, the NiRAN domain transfers RNA to GDP, forming the cap core structure GpppA-RNA. The nsp14 6 and nsp16 7 methyltransferases then add methyl groups to form functional cap structures. Structural analyses of the replication-transcription complex bound to nsp9 identified key interactions that mediate the capping reaction. Furthermore, we demonstrate in a reverse genetics system 8 that the N-terminus of nsp9 and the kinase-like active site residues in the NiRAN domain are required for successful SARS-CoV-2 replication. Collectively, our results reveal an unconventional mechanism by which SARS-CoV-2 caps its RNA genome, thus exposing a new target in the development of antivirals to treat COVID-19.

Abstract The presence of many completely uncharacterized proteins, even in well-studied organisms such as humans, seriously hampers full understanding of the functioning of the living cells. ADP-ribosylation is a common post-translational modification of proteins; also nucleic acids and small molecules can be modified by the covalent attachment of ADP-ribose. This modification, important in cellular signalling and infection processes, is usually executed by enzymes from the large superfamily of ADP-ribosyltransferases (ARTs) Here, using bioinformatics approaches, we identify a novel putative ADP-ribosyltransferase family, conserved in eukaryotic evolution, with a divergent active site. The hallmark of these proteins is the ART domain nestled between flanking leucine-rich repeat (LRR) domains. LRRs are involved in innate immune surveillance. The novel family appears as likely novel ADP-ribosylation “writers”, previously unnoticed new players in cell signaling by this emerging post-translational modification. We propose that this family, including its human member LRRC9, may be involved in an ancient defense mechanism, with analogies to the innate immune system, and coupling pathogen detection to ADP-ribosyltransfer signalling.

Summary The kinase domain transfers phosphate from ATP to substrates. However, the Legionella effector SidJ adopts a kinase fold yet catalyzes calmodulin (CaM)-dependent glutamylation to inactivate the SidE ubiquitin ligases. The structural and mechanistic basis in which the kinase domain catalyzes protein glutamylation is unknown. Here we present cryo-EM reconstructions of SidJ:CaM:SidE reaction intermediate complexes. We show that the kinase-like active site of SidJ adenylates an active site Glu in SidE resulting in the formation of a stable reaction intermediate complex. An insertion in the catalytic loop of the kinase domain positions the donor Glu near the acyl-adenylate for peptide bond formation. Our structural analysis led us to discover that the SidJ paralog SdjA is a glutamylase that differentially regulates the SidE-ligases during Legionella infection. Our results uncover the structural and mechanistic basis in which the kinase fold catalyzes non-ribosomal amino acid ligations and reveal an unappreciated level of SidE-family regulation.

Abstract The three members of the PEAK family of pseudokinases (PEAK1, PEAK2, and PEAK3) are molecular scaffolds that have recently emerged as important regulatory nodes in signaling pathways that control cell migration, morphology, and proliferation, and they are increasingly found to be mis-regulated in human cancers. While no structures of PEAK3 have been solved to date, crystal structures of the PEAK1 and PEAK2 pseudokinase domains revealed their dimeric organization. It remains unclear how dimerization plays a role in PEAK scaffolding functions, as no structures of PEAK family members in complex with their binding partners have been solved. Here, we report the cryo-EM structure of the PEAK3 pseudokinase, also adopting a dimeric state, and in complex with an endogenous 14-3-3 heterodimer purified from mammalian cells. Our structure reveals an asymmetric binding mode between PEAK3 and 14-3-3 stabilized by one pseudokinase domain and the Split HElical Dimerization (SHED) domain of the PEAK3 dimer. The binding interface is comprised of a canonical primary interaction involving two phosphorylated 14-3-3 consensus binding sites located in the N-terminal domains of the PEAK3 monomers docked in the conserved amphipathic grooves of the 14-3-3 dimer, and a unique secondary interaction between 14-3-3 and PEAK3 that has not been observed in any previous structures of 14-3-3/client complexes. Disruption of these interactions results in the relocation of PEAK3 to the nucleus and changes its cellular interactome. Lastly, we identify Protein Kinase D as the regulator of the PEAK3/14-3-3 interaction, providing a mechanism by which the diverse functions of the PEAK3 scaffold might be fine-tuned in cells.

Abstract The utilization of PD1 and CTLA4 inhibitors has revolutionized the treatment of malignant melanoma (MM). However, resistance to targeted and immune-checkpoint-based therapies still poses a significant problem. Here we mine large scale MM proteogenomic data integrating it with MM cell line dependency screen, and drug sensitivity data to identify druggable targets and forecast treatment efficacy and resistance. Leveraging protein profiles from established MM subtypes and molecular structures of 82 cancer treatment drugs, we identified nine candidate hub proteins, mTOR, FYN, PIK3CB, EGFR, MAPK3, MAP4K1, MAP2K1, SRC and AKT1, across five distinct MM subtypes. These proteins serve as potential drug targets applicable to one or multiple MM subtypes. By analyzing transcriptomic data from 48 publicly accessible melanoma cell lines sourced from Achilles and CRISPR dependency screens, we forecasted 162 potentially targetable genes. We also identified genetic resistance in 260 genes across at least one melanoma subtype. In addition, we employed publicly available compound sensitivity data (Cancer Therapeutics Response Portal, CTRPv2) on the cell lines to assess the correlation of compound effectiveness within each subtype. We have identified 20 compounds exhibiting potential drug impact in at least one melanoma subtype. Remarkably, employing this unbiased approach, we have uncovered compounds targeting ferroptosis, that demonstrate a striking 30x fold difference in sensitivity among different subtypes. This implies that the proteogenomic classification of melanoma has the potential to predict sensitivity to ferroptosis compounds. Our results suggest innovative and novel therapeutic strategies by stratifying melanoma samples through proteomic profiling, offering a spectrum of novel therapeutic interventions and prospects for combination therapy. Highlights (1) Proteogenomic subtype classification can define the landscape of genetic dependencies in melanoma (2) Nine proteins from molecular subtypes were identified as potential drug targets for specified MM patients (3) 20 compounds identified that show potential effectiveness in at least one melanoma subtype (4) Proteogenomics can predict specific ferroptosis inducers, HDAC, and RTK Inhibitor sensitivity in melanoma subtypes Graphical abstract

ATP-grasp superfamily enzymes contain a hand-like ATP-binding fold and catalyze a variety of reactions using a similar catalytic mechanism. More than 30 protein families are categorized in this superfamily, and they are involved in a plethora of cellular processes and human diseases. Here we identify C12orf29 as an atypical ATP-grasp enzyme that ligates RNA. Human C12orf29 and its homologs auto-adenylate on an active site Lys residue as part of a reaction intermediate that specifically ligates RNA halves containing a 5'-phosphate and a 3'-hydroxyl. C12orf29 binds tRNA in cells and can ligate tRNA within the anticodon loop in vitro. Genetic depletion of c12orf29 in female mice alters global tRNA levels in brain. Furthermore, crystal structures of a C12orf29 homolog from Yasminevirus bound to nucleotides reveal a minimal and atypical RNA ligase fold with a unique active site architecture that participates in catalysis. Collectively, our results identify C12orf29 as an RNA ligase and suggest its involvement in tRNA biology.

While Immune checkpoint inhibition (ICI) therapy shows significant efficacy in metastatic melanoma, only about 50% respond, lacking reliable predictive methods. We introduce a panel of six proteins aimed at predicting response to ICI therapy. Evaluating previously reported proteins in two untreated melanoma cohorts, we used a published predictive model (EaSIeR score) to identify potential proteins distinguishing responders and non-responders. Six proteins initially identified in the ICI cohort correlated with predicted response in the untreated cohort. Additionally, three proteins correlated with patient survival, both at the protein, and at the transcript levels, in an independent immunotherapy treated cohort. Our study identifies predictive biomarkers across three melanoma cohorts, suggesting their use in therapeutic decision-making.

Abstract Background ADP-ribosyltransferases (ARTs) are a superfamily of enzymes implicated in various cellular processes, including pathogenic mechanisms. The Legionella genus, known for causing Legionnaires’ disease, possesses diverse ART-like effectors. This study explores the proteomes of 41 Legionella species to bioinformatically identify and characterise novel ART-like families, providing insights into their potential roles in pathogenesis and host interactions. Methods We conducted a comprehensive bioinformatic survey of 41 Legionella species to identify proteins with significant sequence or structural similarity to known ARTs. Sensitive sequence searches were performed to detect candidate ART-like families. Subsequent validation, including structure prediction of such families, was achieved using artificial intelligence-driven tools, such as AlphaFold. Comparative analyses were performed to assess sequence and structural similarities between the novel ART-like families and known ARTs. Results Our analysis identified 63 proteins with convincing similarity to ARTs, organised into 39 ART-like families, including 26 novel families. Key findings include: DUF2971 family: exhibits sequence similarity to DarT toxins and other DNA-acting ARTs. DUF4291 family: the largest newly identified family shows structural and sequence similarity to the diphtheria toxin, suggesting the ability to modify proteins. Most members of the novel ART families are predicted effectors. Although experimental validation of the predicted ART effector functions is necessary, the novel ART-like families identified present promising targets for understanding Legionella pathogenicity and developing therapeutic strategies. We publish a complete catalogue of our results in the astARTe database: http://bioinfo.sggw.edu.pl/astarte/ .

Summary The dynamics of more than 1900 mitochondrial proteins was explored through quantitative proteomics in 151 melanoma-related tissue samples of both surgical and autopsy origin. Dysregulation of mitochondrial pathways in primary tumors, metastases, and peritumoral tissues was correlated with age and survival of patients, as well as with tumor cell proliferation and the BRAF mutation status of the tumors. The outlined proteomic landscape confirmed the central role of a pathologically upregulated mitochondrial translation machinery and oxidative phosphorylation (OXPHOS) in the development, proliferation, and progression of melanomas. Our results from different melanoma cell lines confirmed our findings and we could document that treatments with selected OXPHOS inhibitors and antibiotics successfully impaired tumor cell proliferation. In addition, we provided proteomic evidence on the mechanism-of-action of the different treatments. These observations could contribute to the development of therapeutic approaches targeting the mitochondrial pathology in melanoma. TOC figure Highlights Mitochondrial proteome landscape outlined in 151 melanoma-related samples Mitochondrial Translation and OXPHOS impact disease severity and survival BRAF V600E mutation correlates with upregulation of mitochondrial energy production Targeting the mitochondrial OXPHOS and ribosomes impairs tumor cell proliferation Therapeutic opportunities complementary to the standard of care are proposed In brief Mitochondrial proteome profiling of melanomas reveals dysregulation in major metabolic pathways, suggesting a central role of the mitochondria within the development and progression of melanoma. Targeting mitochondrial pathways has the potential to impact the course of the disease, which provides opportunities for complementary drug interventions.

Abstract ADP-ribosyltransferases (ARTs) are a widespread superfamily of enzymes frequently employed in pathogenic strategies of bacteria. Legionella pneumophila , the causative agent of Legionnaire’s disease, has acquired over 330 translocated effectors that showcase remarkable biochemical and structural diversity. Here we took a bioinformatic approach to search the Legionella effector repertoire for additional divergent members of the ART superfamily and identified an ART domain in Lpg0181. We show that L . pneumophila Lpg0181 targets a specific class of 120-kDa NAD+-dependent glutamate dehydrogenase (GDH) enzymes found in fungi and protists, including many natural hosts of Legionella . Lpg0181 targets a conserved arginine residue in the NAD+ -binding pocket of GDH, thereby blocking oxidative deamination of glutamate. While intracellular pathogens employ diverse virulence mechanisms to overcome host-limited nutrient availability, Lpg0181 is––to the best of our knowledge––the first example of a Legionella effector which directly targets a host metabolic enzyme.