tRNAs are synthesized as immature precursors, and on their way to functional maturity, extra nucleotides at their 5′ ends are removed by an endonuclease called RNase P. All RNase P enzymes characterized so far are composed of an RNA plus one or more proteins, and tRNA 5′ end maturation is considered a universal ribozyme-catalyzed process. Using a combinatorial purification/proteomics approach, we identified the components of human mitochondrial RNase P and reconstituted the enzymatic activity from three recombinant proteins. We thereby demonstrate that human mitochondrial RNase P is a protein enzyme that does not require a trans-acting RNA component for catalysis. Moreover, the mitochondrial enzyme turns out to be an unexpected type of patchwork enzyme, composed of a tRNA methyltransferase, a short-chain dehydrogenase/reductase-family member, and a protein of hitherto unknown functional and evolutionary origin, possibly representing the enzyme's metallonuclease moiety. Apparently, animal mitochondria lost the seemingly ubiquitous RNA world remnant after reinventing RNase P from preexisting components.

Members of the caspase family of cysteine proteases play central roles in coordinating the stereotypical events that occur during apoptosis. Because the major executioner caspases, caspase-3 and caspase-7, exhibit almost indistinguishable activity toward certain synthetic peptide substrates, this has led to the widespread view that these proteases occupy functionally redundant roles within the cell death machinery. However, the distinct phenotypes of mice deficient in either of these caspases, as well as mice deficient in both, is at odds with this view. These distinct phenotypes could be related to differences in the relative expression levels of caspase-3 and caspase-7 in vivo , or due to more fundamental differences between these proteases in terms of their ability to cleave natural substrates. Here we show that caspase-3 and caspase-7 exhibit differential activity toward multiple substrate proteins, including Bid, XIAP, gelsolin, caspase-6, and cochaperone p23. Caspase-3 was found to be generally more promiscuous than caspase-7 and appears to be the major executioner caspase during the demolition phase of apoptosis. Our observations provide a molecular basis for the different phenotypes seen in mice lacking either caspase and indicate that these proteases occupy nonredundant roles within the cell death machinery.

Abstract Metabolic biomonitoring in humans is typically based on the sampling of blood, plasma or urine. Although established in the clinical routine, these sampling procedures are often associated with a variety of compliance issues and are impractical for performing time-course studies. The analysis of the minute amounts of sweat sampled from the fingertip enables a solution to this challenge. Sweat sampling from the fingertip is non-invasive and robust and can be accomplished repeatedly by untrained personnel. This matrix represents a rich source for metabolomic phenotyping, which is exemplified by the detection of roughly 50’000 features per sample. Moreover, the determined limits of detection demonstrate that the ingestion of 200 μg of a xenobiotic may be sufficient for its detection in sweat from the fingertip. The feasibility of short interval sampling of sweat from the fingertips was confirmed in three time-course studies after coffee consumption or ingestion of a caffeine capsule, successfully monitoring all known caffeine metabolites. Fluctuations in the rate of sweat production were accounted for by mathematical modelling to reveal individual rates of caffeine uptake, metabolism and clearance. Biomonitoring using sweat from the fingertip has far reaching implications for personalised medical diagnostics and biomarker discovery.

Abstract Biological sex is key information for archaeological and forensic studies, which can be determined by proteomics. However, lack of a standardised approach for fast and accurate sex identification currently limits the reach of proteomics applications. Here, we introduce a streamlined mass spectrometry (MS)-based workflow for determination of biological sex using human dental enamel. Our approach builds on a minimally invasive sampling strategy by acid etching, a rapid online liquid chromatography (LC) gradient coupled to high-resolution parallel reaction monitoring assay allowing for a throughput of 200 samples-per-day with high quantitative performance enabling confident identification of both males and females. Additionally, we have developed a streamlined data analysis pipeline and integrated it into an R-Shiny interface for ease-of-use. The method was first developed and optimised using modern teeth and then validated in an independent set of deciduous teeth of known sex. Finally, the assay was successfully applied to archaeological material, enabling the analysis of over 300 individuals. We demonstrate unprecedented performance and scalability, speeding up MS analysis by tenfold compared to conventional proteomics-based sex identification methods. This work paves the way for large-scale archaeological or forensic studies enabling the investigation of entire populations rather than focusing on individual high-profile specimens.

Abstract Reproducibility issues regarding in vitro cell culture experiments are related to genetic fluctuations and batch-wise variations of biological materials such as fetal calf serum (FCS). Genome sequencing may control the former, while the latter may remain unrecognized. Using a U937 macrophage model for cell differentiation and inflammation, we investigated whether the formation of effector molecules was dependent on the FCS batch used for cultivation. High resolution mass spectrometry was used to identify FCS constituents and to explore their effects on cultured cells evaluating secreted cytokines, eicosanoids and other inflammatory mediators. Remarkably, the FCS eicosanoid composition showed more batch-dependent variations than the protein composition. Efficient uptake of fatty acids from medium by U937 macrophages and inflammation-induced release thereof was evidenced using C13-labelled arachidonic acid, highlighting rapid lipid metabolism. For functional testing, FCS batch-dependent nanomolar concentration differences of two selected eicosanoids, 5-HETE and 15-HETE, were balanced out by spiking in. Culturing U937 cells at these defined conditions indeed resulted in significant proteome alterations indicating HETE-induced PPARγ activation, independently corroborated by HETE-induced formation of peroxisomes observed by high-resolution microscopy. In conclusion, the present data demonstrate that FCS-contained eicosanoids, subject to substantial batch-wise variation, may modulate cellular effector functions in cell culture experiments.

ABSTRACT Bone marrow commonly serves as a metastatic niche for disseminated tumor cells (DTCs) of solid cancers in patients with unfavorable clinical outcome. Single-cell assessment of bone marrow metastases is essential to decipher the entire spectrum of tumor heterogeneity in these cancers, however, has previously not been performed. Here we used multi-epitope-ligand cartography (MELC) to spatially profile 20 biomarkers and assess morphology in DTCs as well as hematopoietic and mesenchymal cells of eight bone marrow metastases from neuroblastoma patients. We developed DeepFLEX, a single-cell image analysis pipeline for MELC data that combines deep learning-based cell and nucleus segmentation and overcomes frequent challenges of multiplex imaging methods including autofluorescence and unspecific antibody binding. Using DeepFLEX, we built a single-cell atlas of bone marrow metastases comprising more than 35,000 single cells. Comparisons of cell type proportions between samples indicated that microenvironmental changes in the metastatic bone marrow are associated with tumor cell infiltration and therapy response. Hierarchical clustering of DTCs revealed multiple phenotypes with highly diverse expression of markers such as FAIM2, an inhibitory protein in the Fas apoptotic pathway, which we propose as a complementary marker to capture DTC heterogeneity in neuroblastoma. The presented single-cell atlas provides first insights into the heterogeneity of human bone marrow metastases and is an important step towards a deeper understanding of DTCs and their interactions with the bone marrow niche.

ABSTRACT The remarkable plasticity of Schwann cells (SCs) enables the acquisition of repair-specific functions essential for peripheral nerve regeneration. We hypothesized that this plastic potential is manifested in stromal SCs found within mostly benign-behaving peripheral neuroblastic tumors. To shed light on the cellular state and impact of stromal SCs, we combined transcriptome and proteome profiling of human ganglioneuromas and neuroblastomas, rich and poor in SC-stroma, respectively, as well as human injured nerve explants, rich in repair SCs. The results revealed a nerve repair-characteristic gene expression signature of stromal SCs. In turn, primary repair SCs had a pro-differentiating and anti-proliferative effect on aggressive neuroblastoma cell lines after direct and trans-well co-culture. Within the pool of secreted stromal/repair SC factors, we identified EGFL8, a matricellular protein with so far undescribed function, to induce neuronal differentiation of neuroblastoma cell lines. This study indicates that human SCs undergo a similar adaptive response in two patho-physiologically distinct situations, peripheral nerve injury and tumor development. This response is mediated by EGFL8 and other SC derived factors, which might be of therapeutic value for neuroblastic tumors and nerve regeneration. SYNOPSIS In order to investigate the nature of stromal Schwann cells in benign peripheral neuroblastic tumors (ganglioneuromas), we compared the cellular state of stromal Schwann cells with repair-associated Schwann cells emerging in peripheral nerves after injury. Stromal Schwann cells in ganglioneuromas and repair Schwann cells in injured nerves share the expression of nerve repair-associated genes. Neuroblastoma cell lines, derived from high-risk metastatic peripheral neuroblastic tumors (neuroblastomas), respond to primary repair Schwann cells and their secretome with increased neuronal differentiation and reduced proliferation. Stromal and repair Schwann cells express the matricellular protein EGFL8, which is capable to induce neuronal differentiation of neuroblastoma cell lines in recombinant form. THE PAPER EXPLAINED Problem In response to peripheral nerve damage, Schwann cells (SCs) are able to transform into specialized repair cells essential for nerve cell regeneration. Our previous studies indicated that this reactive/adaptive potential of human SCs is not restricted to injured nerve cells but also emerges in response to peripheral neuroblastic tumor cells. The usually benign subtypes of peripheral neuroblastic tumors, i.e. ganglioneuroblastomas and ganglioneuromas, contain neuronal differentiating tumor cells and are pervaded by various portions of stromal SCs. Of note, the amount of stromal SCs correlates with a favorable tumor behavior and increased patient survival, whereas aggressive subtypes of peripheral neuroblastic tumors, i.e. neuroblastomas, usually lack stromal SCs and have bad prognosis. This enigma prompted us to investigate the molecular wiring and functional state of stromal SCs versus injury-associated repair SCs and how SC signals could be leveraged as therapeutics. Result Our study revealed that the cellular state of stromal SCs in ganglioneuromas is in many aspects very similar to human repair SCs in injured nerves as both, stromal SCs and repair SCs, are equipped with distinct nerve repair-associated functions. Hence, we exposed different cell lines, derived from high-risk metastatic neuroblastomas, to primary repair SCs or their secretome. The results demonstrated that repair SCs had a pro-differentiating and anti-proliferative effect of on neuroblastoma cell lines upon direct and/or indirect contact. Searching for secreted anti-tumor factors by transcriptome and proteome analyses identified that the matricellular protein EGFL8 was highly expressed in injured nerves and ganglioneuromas. EGFL8 gene expression in peripheral neuroblastic tumors further correlated with increased patient survival. Indeed, treatment of neuroblastoma cell lines with recombinant EGFL8 promoted neuronal differentiation and present EGFL8 as a novel neuritogen. Impact These findings demonstrate that stromal SCs are equipped with the tools to exert nerve repair-associated functions on peripheral neuroblastic tumor cells and the tumor microenvironment. We further show that the pool of secreted stromal/repair SC molecules contains yet uncharacterized factors with a therapeutic potential for aggressive neuroblastomas. We conclude that the inherent plasticity (reactive/adaptive potential) of SCs is responsible for the development of usually benign ganglioneuroblastomas and ganglioneuromas and, thus, is of utmost interest to be exploited in future treatment approaches for aggressive neuroblastoma subtypes.

Abstract Metabolomic time course analyses of biofluids are highly relevant for clinical diagnostics. However, many sampling methods suffer from unknown sample sizes commonly known as size effects. This prevents absolute quantification of biomarkers. Recently, several mathematical post acquisition normalization methods have been developed to overcome these problems either by exploiting already known pharmacokinetic information or by statistical means. Here we present an improved normalization method, MIX, that combines the advantages of both approaches. It couples two normalization terms, one based on a pharmacokinetic model (PKM) and the other representing a popular statistical approach, probabilistic quotient normalization (PQN), in a single model. To test the performance of MIX, we generated synthetic data closely resembling real finger sweat metabolome measurements. We show that MIX normalization successfully tackles key weaknesses of the individual strategies: it (i) reduces the risk of overfitting with PKM, and (ii) contrary to PQN, it allows to compute sample volumes. Finally, we validate MIX by using real finger sweat as well as blood plasma metabolome data and demonstrate that MIX allows to better and more robustly correct for size effects. In conclusion, the MIX method improves the reliability and robustness of quantitative biomarker detection in finger sweat and other biofluids, paving the way for biomarker discovery and hypothesis generation from metabolomic time course data.

Covalent drugs emerged as a promising addition to the arsenal of medicinal chemistry tools. Here, a gold-templated mechanism is exploited to enable the selective covalent targeting of the CysSec-dyad of thioredoxin reductase 1 (TXNRD1) in cancer cells. This two-step mechanism involves reversible coordination of a cyclometalated gold(III) compound, featuring a bidentate CˆN ligand, to thiolates/selenolates, followed by reductive elimination and irreversible covalent cross-coupling reaction of the ligand to these nucleophiles. Following this reactivity, potent inhibition of TXNRD1 activity was shown in vitro, including cancer cell extracts. Selective arylation of the CysSec-dyad in the presence of reducing equivalents was seen in cell-free studies. Chemoproteomic studies showed that the proposed mechanism is selective toward specific protein targets, including TXNRD1. Proteome profiling revealed down-regulation of the detected selenoproteins, except TXNRD1, and induction of the NRF2-KEAP1 pathway. Metal-templated covalent targeting may prove useful to rationally expand the ligandable space of covalent drug discovery.

Improving coverage, robustness and sensitivity is crucial for routine phosphoproteomics analysis by single-shot liquid chromatography tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) runs from minimal peptide inputs. Here, we systematically optimized key experimental parameters for automated on-beads phosphoproteomics sample preparation with focus on low input samples. Assessing the number of identified phosphopeptides, enrichment efficiency, site localization scores and relative enrichment of multiply-phosphorylated peptides pinpointed critical variables influencing the resulting phosphoproteome. Optimizing glycolic acid concentration in the loading buffer, percentage of ammonium hydroxide in the elution buffer, peptide-to-beads ratio, binding time, sample and loading buffer volumes, allowed us to confidently identify >16,000 phosphopeptides in half-an-hour LC-MS/MS on an Orbitrap Exploris 480 using 30 ug of peptides as starting material. Furthermore, we evaluated how sequential enrichment can boost phosphoproteome coverage and showed that pooling fractions into a single LC-MS/MS analysis increased the depth. We also present an alternative phosphopeptide enrichment strategy based on stepwise addition of beads thereby boosting phosphoproteome coverage by 20%. Finally, we applied our optimized strategy to evaluate phosphoproteome depth with the Orbitrap Astral MS using a cell dilution series and were able to identify >32,000 phosphopeptides from 0.5 million HeLa cells in half-an-hour LC-MS/MS using narrow-window data-independent acquisition (nDIA).