Immunoaffinity depletion with antibodies to the top 7 or top 14 high-abundance plasma proteins is used to enhance detection of lower abundance proteins in both shotgun and targeted proteomic analyses. We evaluated the effects of top 7/top 14 immunodepletion on the shotgun proteomic analysis of human plasma. Our goal was to evaluate the impact of immunodepletion on detection of proteins across detectable ranges of abundance. The depletion columns afforded highly repeatable and efficient plasma protein fractionation. Relatively few nontargeted proteins were captured by the depletion columns. Analyses of unfractionated and immunodepleted plasma by peptide isoelectric focusing (IEF), followed by liquid chromatography−tandem mass spectrometry (LC−MS/MS), demonstrated enrichment of nontargeted plasma proteins by an average of 4-fold, as assessed by MS/MS spectral counting. Either top 7 or top 14 immunodepletion resulted in a 25% increase in identified proteins compared to unfractionated plasma. Although 23 low-abundance (<10 ng mL−1) plasma proteins were detected, they accounted for only 5−6% of total protein identifications in immunodepleted plasma. In both unfractionated and immunodepleted plasma, the 50 most abundant plasma proteins accounted for 90% of cumulative spectral counts and precursor ion intensities, leaving little capacity to sample lower abundance proteins. Untargeted proteomic analyses using current LC−MS/MS platforms—even with immunodepletion—cannot be expected to efficiently discover low-abundance, disease-specific biomarkers in plasma.

Abstract Rationale Bronchoalveolar lavage of the epithelial lining fluid can sample the profound changes in the airway lumen milieu prevalent in Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD). Characterizing the proteins in bronchoalveolar lavage fluid in COPD with advanced proteomic methods will identify disease-related changes, provide insight into pathogenetic mechanisms and potential therapeutics that will aid in the discovery of more effective therapeutics for COPD. Objectives We compared epithelial lining fluid proteome of ex-smokers with moderate COPD who are not in exacerbation status COPD, to non-smoking healthy control subjects using advanced proteomics methods and applied proteome-scale translational bioinformatics approaches to identify potential therapeutic protein targets and drugs that modulate these proteins towards the treatment of COPD. Methods Proteomic profiles of bronchalveolar lavage fluid were obtained from 1) never-smoker control subjects with normal lung function (n=10) or 2) individuals with stable moderate (GOLD stage 2, FEV1 50% – 80% predicted) COPD who were ex-smokers for at least one year (n=10). NIH’s Database for Annotation, Visualization and Integrated Discovery (DAVID) and Ingenuity’s Ingenuity Pathway Analysis (IPA) were the two bioinformatics tools employed for network analysis on the differentially expressed proteins to identify potential crucial hub proteins. The drug-proteome interaction signature comparison and ranking approach implemented in the Computational Analysis of Novel Drug Opportunities (CANDO) platform for multiscale therapeutic discovery was utilized to identify potential repurposable drugs for the treatment of COPD based on the BALF proteome. Subsequently, a literature-based knowledge graph was utilized to rank combinations of drugs that would most likely ameloriate inflammatory processes by inhibition or activation of their functions. Results Proteomic network analysis demonstrated that 233 of the >1800 proteins identified in the BALF were differentially expressed in COPD versus control, including proteins associated with inflammation, structural elements, and energy metabolism. Functional annotation of the differentially expressed proteins by their implicated biological processes, cellular localization, and transcription factor interactions was accomplished via DAVID. Canonical pathways containing the differential expressed proteins were detailed via the Ingenuity Pathway Analysis application. Topological network analysis demonstrated that four proteins act as central node proteins in the inflammatory pathways in COPD. The CANDO multiscale drug discovery platform was used to analyze the behavioral similarity between the interaction signatures of all FDA-approved drugs and the identified BALF proteins. The drugs with the signatures most similar interaction signatures to approved COPD drugs were extracted with the CANDO platform. The analysis revealed 189 drugs that putatively target the proteins implicated in COPD. The putative COPD drugs that were identified using CANDO were subsequently analyzed using a knowledge based technique to identify an optimal two drug combination that had the most appropriate effect on the central node proteins. Conclusion Analysis of the BALF proteome revealed novel differentially expressed proteins in the epithelial lining fluid that elucidate COPD pathogenesis. Network analyses identified critical targets that have critical roles in modulating COPD pathogenesis, for which we identified several drugs that could be repurposed to treat COPD using a multiscale shotgun drug discovery approach.

Abstract Individuals with Alzheimer’s Disease (AD) experience circadian rhythm disorder. The circadian rhythm is synchronized by a master clock, the suprachiasmatic nucleus (SCN), which is a tiny hypothalamic nucleus. Little is known about the molecular and pathological changes that occur in the SCN during AD progression. We examined postmortem brains of 12 controls without AD neuropathological changes (Braak stage 0) and 36 subjects at progressive Braak stages (I, II, and VI). To investigate potential AD-specific changes, we measured the neuronal counts of arginine vasopressin (AVP) and vasoactive intestinal peptide (VIP) positive neurons, along with the Braak stages in the SCN. We investigated in adjacent hypothalamic nuclei which are also composed of AVP+ neurons but show more resilience to AD: paraventricular nucleus (PVN) and supraoptic nucleus (SON). To understand the dysregulated proteins associated to AD progression, we performed in-situ proteomics, investigating 57 proteins, including commonly dysregulated in AD, using GeoMx Digital Spatial Profiling (DSP) in the three nuclei (total of 703 area of interests). Neurofibrillary tangles (NFTs) and tau fibrils were found selectively in SCN. We failed to detect NFTs in SON, only a mild dysregulation of p-tau at Braak VI in PVN and SON. Amyloid plaque was absent in the SCN and SON. Additionally, the SCN showed increased glial proteins already at Braak stage I, whereas the level of these proteins sustained in the other nuclei. The SCN is exclusively vulnerable to AD-tau pathology and show immune dysregulation even at Braak I but is protected against amyloid plaque. This finding revealed selectively in amnestic AD, showing more resilience in AD variant. This tau-related molecular dysregulation in the SCN contributes to circadian rhythm disturbances in AD, a phenomenon observed before the onset of cognitive disorder.

Background Sleep-wake dysfunction is an early and common event in Alzheimer’s disease (AD). The lateral hypothalamic area (LHA) regulates the sleep and wake cycle through wake-promoting orexinergic neurons (Orx N ) and sleep-promoting melanin-concentrating hormone or MCHergic neurons (MCH N ). These neurons share close anatomical proximity with functional reciprocity. This study investigated LHA Orx N and MCH N loss patterns in AD individuals. Understanding the degeneration pattern of these neurons will be instrumental in designing potential therapeutics to slow down the disease progression and remediate the sleep-wake dysfunction in AD. Methods Postmortem human brain tissue from donors with AD (across progressive stages) and controls were examined using unbiased stereology. Formalin-fixed, celloidin-embedded hypothalamic sections were stained with Orx-A/MCH, p-tau (CP13), and counterstained with gallocyanin. Orx or MCH-positive neurons with or without CP13 inclusions and gallocyanin-stained neurons were considered for stereology counting. Additionally, we extracted RNA from the LHA using conventional techniques. We used customized Neuropathology and Glia nCounter ® (Nanostring) panels to study gene expression. Wald statistical test was used to compare the groups, and the genes were considered differentially expressed when the p-value was <.05. Results We observed a progressive decline in Orx N alongside a relative preservation of MCH N . Orx N decreased by 58% (p=.03) by Braak stages (BB) 1-2 and further declined to 81% (p=.03) by BB 5-6. Conversely, MCH N demonstrated a non-statistical significant decline (27%, p=.1088) by BB 6. We observed a progressive increase in differentially expressed genes (DEGs), starting with glial profile changes in BB2. While Orx N loss was observed, Orx-related genes showed upregulation in BB 3-4 compared to BB 0-1. GO and KEGG terms related to neuroinflammatory pathways were mainly enriched. Conclusions To date, Orx N loss in the LHA represents the first neuronal population to die preceding the loss of LC neurons. Conversely, MCHN shows resilience to AD p-tau accumulation across Braak stages. The initial loss of Orx N correlates with specific neuroinflammation, glial profile changes, and overexpression of HCRT, possibly due to hyperexcitation following compensation mechanisms. Interventions preventing Orx N loss and inhibiting p-tau accumulation in the LHA could prevent neuronal loss in AD and, perhaps, the progression of the disease.

The Regulator of G-protein Signaling 12 (Rgs12) is important for osteoclast (OC) differentiation, and its deletion in vivo protected mice against pathological bone loss. To characterize its mechanism in osteoclastogenesis, we selectively deleted Rgs12 in OC precursors using the LysM-Cre transgenic line or overexpressed the gene in RAW264.7 cells. Rgs12 deletion led to increased bone mass with decreased OC numbers, whereas its overexpression increased OC number and size. Proteomics analysis of Rgs12-deficient OCs identified an upregulation of antioxidant enzymes under the transcriptional regulation of Nrf2, the master regulator of oxidative stress. We confirmed an increase of Nrf2 activity and impaired production in Rgs12-deficient cells. Conversely, Rgs12 overexpression suppressed Nrf2 through a mechanism dependent on the 26S proteasome, and promoted RANKL-induced phosphorylation of ERK1/2 and NFκB, which was abrogated by antioxidant treatment. We therefore identified a novel role of Rgs12 in regulating Nrf2, thereby controlling cellular redox state and OC differentiation.