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/ .

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.

Abstract Ribosomal RNA (rRNA) transcription by RNA Polymerase I (Pol I) is a critical rate-limiting step in ribosome biogenesis, which is essential for cell survival. Despite its global function, disruptions in ribosome biogenesis cause tissue-specific birth defects called ribosomopathies, which frequently affect craniofacial development. Here, we describe a cellular and molecular mechanism underlying the susceptibility of craniofacial development to disruptions in Pol I transcription. We show that Pol I subunits are highly expressed in the neuroepithelium and neural crest cells (NCC), which generate most of the craniofacial skeleton. High expression of Pol I subunits sustains elevated rRNA transcription in NCC progenitors, which supports their high tissue-specific levels of protein translation, but also makes NCC particularly sensitive to rRNA synthesis defects. Consistent with this model, NCC-specific deletion of Pol I subunits Polr1a , Polr1c, and associated factor Tcof1 in mice cell-autonomously diminishes rRNA synthesis, which causes an imbalance between rRNA and ribosomal proteins. This leads to increased binding of ribosomal proteins Rpl5 and Rpl11 to Mdm2 and concomitantly diminished binding between Mdm2 and p53. Consequently, p53 protein accumulates, resulting in NCC apoptosis and craniofacial anomalies. Furthermore, compound mutations in Pol I subunits and associated factors specifically exacerbates the craniofacial anomalies characteristic of the ribosomopathies Treacher Collins Syndrome and Acrofacial Dysostosis-Cincinnati Type. Altogether, our novel results demonstrate a dynamic spatiotemporal requirement for rRNA transcription during mammalian cranial NCC development and corresponding tissue-specific threshold sensitivities to disruptions in rRNA transcription in the pathogenesis of congenital craniofacial disorders. Significance statement RNA Polymerase I (Pol I) mediated rRNA transcription is required for protein synthesis in all tissues for normal growth and survival as well as for proper embryonic development. Interestingly, disruptions in Pol I mediated transcription perturb ribosome biogenesis and lead to tissue-specific birth defects, which commonly affect the head and face. Our novel results show that during mouse development, Pol I mediated rRNA transcription and protein translation is tissue-specifically elevated in neural crest cells, which give rise to bone, cartilage, and ganglia of the head and face. Using new mouse models, we further show that neural crest cells are highly sensitive to disruptions in Pol I and that when rRNA synthesis is genetically downregulated, it specifically results in craniofacial anomalies.

Acyl-CoA/protein interactions are required for many functions essential to life including membrane synthesis, oxidative metabolism, and macromolecular acetylation. However, despite their importance, the global scope and selectivity of these protein-metabolite interactions remains undefined. Here we describe the development of CATNIP (CoA/AcetylTraNsferase Interaction Profiling), a chemoproteomic platform for the high-throughput analysis of acyl-CoA/protein interactions in endogenous proteomes. First, we apply CATNIP to identify acetyl-CoA-binding proteins through unbiased clustering of competitive dose-response data. Next, we use this method to profile diverse protein-CoA metabolite interactions, identifying biological processes susceptible to altered acetyl-CoA levels. Finally, we apply systems-level analyses to assess the features of novel protein networks that may interact with acyl-CoAs, and demonstrate a strategy for high-confidence proteomic annotation of acetyl-CoA binding proteins. Overall our studies illustrate the power of integrating chemoproteomics and systems biology, and provide a resource for understanding the roles of acyl-CoA metabolites in biology and disease.

Bilateral symmetry is a striking feature of the vertebrate body plan organization. Vertebral precursors, called somites, provide one of the best illustrations of embryonic symmetry. Maintenance of somitogenesis symmetry requires Retinoic acid (RA) and its coactivator Rere/Atrophin2. Here, using a proteomic approach we identify a protein complex, containing Wdr5, Hdac1, Hdac2 and Rere (named WHHERE), which regulates RA signalling and controls embryonic symmetry. We demonstrate that Wdr5, Hdac1 and Hdac2 are required for RA signalling in vitro and in vivo. Mouse mutants for Wdr5 and Hdac1 exhibit asymmetrical somite formation characteristic of RA-deficiency. We also identify the Rere-binding histone methyltransferase Ehmt2/G9a, as a RA coactivator controlling somite symmetry. Upon RA treatment, WHHERE and Ehmt2 become enriched at RA target genes to promote RNA Polymerase II recruitment. Our work identifies a novel protein complex linking key epigenetic regulators acting in the molecular control of embryonic bilateral symmetry.

The tumor-suppressing function of SMAD4 is frequently subverted during mammary tumorigenesis, leading to cancer growth, invasion, and metastasis. A long-standing concept is that SMAD4 is not regulated by phosphorylation but ubiquitination. Interestingly, our search for signaling pathways regulated by BRK, a non-receptor protein tyrosine kinase that is up-regulated in ~80% of invasive ductal breast tumors, led us to discover that BRK competitively binds and phosphorylates SMAD4, and regulates TGF-β/ SMAD4 signaling pathway. A constitutively active BRK (BRK-Y447F), phosphorylates SMAD4 resulting in its recognition by the ubiquitin-proteasome system, which accelerates SMAD4 degradation. In agreement, we also observed an inverse protein expression pattern of BRK and SMAD4 in a panel of breast cancer cell lines and breast tumors. Activated BRK mediated degradation of SMAD4 causes the repression of tumor suppressor genes FRK that was associated with increased expression of mesenchymal markers and decreased cell adhesion ability. Thus, our data suggest that combination therapies targeting activated BRK signaling may have synergized the benefits in the treatment of SMAD4 repressed cancers. Therefore, our data propose that combination therapies which includes targeting activated BRK signaling may synergize the benefits in the treatment of SMAD4 deficient cancers.

It remains a significant challenge to define individual protein associations within networks where an individual protein can directly interact with other proteins and/or be part of large complexes, which contain functional modules. Here we demonstrate the topological scoring (TopS) algorithm for the analysis of quantitative proteomic analyses of affinity purifications. Data is analyzed in a parallel fashion where a bait protein is scored in an individual affinity purification by aggregating information from the entire dataset. A broad range of scores is obtained which indicate the enrichment of an individual protein in every bait protein analyzed. TopS was applied to interaction networks derived from human DNA repair proteins and yeast chromatin remodeling complexes. TopS captured direct protein interactions and modules within complexes. TopS is a rapid method for the efficient and informative computational analysis of datasets, is complementary to existing analysis pipelines, and provides new insights into protein interaction networks.

Summary Epigenetic control of gene expression is crucial for maintaining gene regulation. Sin3 is an evolutionarily conserved repressor protein complex mainly associated with histone deacetylase (HDAC) activity. A large number of proteins are part of Sin3/HDAC complexes, and the function of most of these members remains poorly understood. SAP25, a previously identified Sin3A associated protein of 25 kDa, has been proposed to participate in regulating gene expression programs involved in the immune response but the exact mechanism of this regulation is unclear. SAP25 is not expressed in HEK293 cells, which hence serve as a natural knockout system to decipher the molecular functions uniquely carried out by this Sin3/HDAC subunit. Using molecular, proteomic, protein engineering, and interaction network approaches, we show that SAP25 interacts with distinct enzymatic and regulatory protein complexes in addition to Sin3/HDAC. While the O-GlcNAc transferase (OGT) and the TET1 /TET2/TET3 methylcytosine dioxygenases have been previously linked to Sin3/HDAC, in HEK293 cells, these interactions were only observed in the affinity purification in which an exogenously expressed SAP25 was the bait. Additional proteins uniquely recovered from the Halo-SAP25 pull-downs included the SCF E3 ubiquitin ligase complex SKP1/FBXO3/CUL1 and the ubiquitin carboxyl-terminal hydrolase 11 (USP11), which have not been previously associated with Sin3/HDAC. Finally, we use mutational analysis to demonstrate that distinct regions of SAP25 participate in its interaction with USP11, OGT/TETs, and SCF(FBXO3).) These results suggest that SAP25 may function as an adaptor protein to coordinate the assembly of different enzymatic complexes to control Sin3/HDAC-mediated gene expression.

A hub protein in protein interaction networks will typically have a large number of diverse interactions. Determining the core interactions and the function of such a hub protein remains a significant challenge in the study of networks. Proteins with WD40 repeats represent a large class of proteins that can be hub proteins. WDR76 is a poorly characterized WD40 repeat protein with possible involvement in DNA damage repair, cell cycle progression, apoptosis, gene expression regulation, and protein quality control. WDR76 has a large and diverse interaction network that has made its study challenging. Here, we rigorously carry out a series of affinity-purification coupled to mass spectrometry (AP-MS) to map out the WDR76 interactome through different biochemical conditions. We apply AP-MS analysis coupled to size exclusion chromatography to resolve WDR76-based protein complexes. Furthermore, we also show that WDR76 interacts with the CCT complex via its WD40 repeat domain and with DNA-PK-KU, PARP1, GAN, SIRT1, and histones outside of the WD40 domain. An evaluation of the stability of WDR76 interactions led to focused and streamlined reciprocal analyses that validate the interactions with GAN and SIRT1. Overall, the approaches used to study WDR76 would be valuable to study other proteins containing WD40 repeat domains, which are conserved in a large number of proteins in many organisms.

Abstract Breast Cancer Metastasis Suppressor 1 (BRMS1) expression is associated with longer patient survival in multiple cancer types. Understanding BRMS1 functionality will provide insights into both mechanism of action and will enhance potential therapeutic development. In this study, we confirmed that the C-terminus of BRMS1 is critical for metastasis suppression and hypothesized that critical protein interactions in this region would explain its function. Phosphorylation status at S237 regulates BRMS1 protein interactions related to a variety of biological processes, phenotypes [cell cycle (e.g., CDKN2A), DNA repair (e.g., BRCA1)], and metastasis [(e.g., TCF2 and POLE2)]. Presence of S237 also directly decreased MDA-MB-231 breast carcinoma migration in vitro and metastases in vivo . The results add significantly to our understanding of how BRMS1 interactions with Sin3/HDAC complexes regulate metastasis and expand insights into BRMS1’s molecular role, as they demonstrate that BRMS1 C-terminus involvement in distinct direct protein-protein interactions.