Abstract The protein titin determines cardiomyocyte contraction and truncating variants in the titin gene ( TTN ) are the most common cause of dilated cardiomyopathy (DCM). Different to truncations, missense variants in TTN are currently classified as variants of uncertain significance due to their high frequency in the population and the absence of functional annotation. Here, we report the regulatory role of conserved, mechanically active titin cysteines, which, contrary to current views, we uncover to be reversibly oxidized in basal conditions leading to isoform- and force-dependent modulation of titin stiffness and dynamics. Building on our functional studies, we demonstrate that missense mutations targeting a conserved titin cysteine alter myocyte contractile function and cause DCM in humans. Our findings have a direct impact on genetic counselling in clinical practice. One sentence summary Mutations targeting cysteines key to the mechanoredox control of titin cause human dilated cardiomyopathy

ABSTRACT Myosin inhibitor mavacamten is the only targeted treatment available for hypertrophic cardiomyopathy (HCM), a disease caused by hundreds of genetic variants that affect mainly sarcomeric myosin and its negative regulator cardiac myosin-binding protein C (cMyBP-C, encoded by MYBPC3 ). Here, we have examined whether the reported limited efficacy of mavacamten in a fraction of HCM patients can result from dissimilar HCM pathomechanisms triggered by different genetic variants, a scenario particularly relevant for MYBPC3 -associated HCM. To this aim, we have generated knock-in mice including missense pathogenic variant cMyBP-C p.R502W, which, different from patients who carry truncations in the protein, develop progressive pathogenic myocardial remodeling in the absence of alterations of cMyBP-C levels and localization. Mechanistically, we find that mutation R502W reduces the binding affinity of cMyBP-C for myosin without inducing a shift towards more active myosin conformations as observed when cMyBP-C levels are reduced. Despite these diverging molecular alterations, we show that mavacamten blunts myocardial remodeling both in R502W and cMyBP-C-deficient, knock-out hearts. These beneficial effects are accompanied by improved tolerance to exercise only in R502W animals. Hence, our results indicate that myosin inhibition is effective to treat HCM caused by both truncating and missense variants in MYBPC3 regardless of the primary pathomechanisms they elicit.

Mitochondrial respiratory complexes assemble into different forms of supercomplexes (SC). In particular, SC III2+IV require the SCAF1 protein. However, the structural role of this factor in the formation of the respirasome (I+III2+IV) and the physiological role of SCs are controversial. Here, we study C57BL/6J mice harbouring either non-functional SCAF1, the full knock-out for SCAF1 or the wild-type version of the protein, and found a growth and exercise phenotype due to the lack of functional SCAF1. By combining quantitative data-independent proteomics, high resolution 2D Blue Native Gel Electrophoresis and functional analysis of enriched respirasome fractions, we show that SCAF1 confers structural attachment between III2 and IV within the respirasome, increases NADH-dependent respiration and reduces ROS production. Furthermore, through the expression of AOX in cells and mice we confirm that CI-CIII superassembly segments the CoQ in two pools and modulates CI-NADH oxidative capacity. These data demonstrate that SC assembly, regulated by SCAF1, modulates the functionality of the electron transport chain.

The mitochondrial electron transport chain (mETC) converts the energy of substrate oxidation into a H + electrochemical gradient (Δp), which is composed by an inner mitochondrial membrane (IMM) potential (ΔΨmt) and a pH gradient (ΔpH). So far, ΔΨmt has been assumed to be composed exclusively by H + . Mitochondrial Ca 2+ and Na + homeostasis, which are essential for cellular function, are controlled by exchangers and antiporters in the inner mitochondrial membrane (IMM). In the last few years, some of them have been identified, except for the Na + -specific mitochondrial Na + /H + exchanger (mNHE). Here, using a rainbow of mitochondrial and nuclear genetic models, we have identified the P-module of complex I (CI) as the major mNHE. In turn, its activity creates a Na + gradient across the IMM, parallel to ΔpH, which accounts for half of the ΔΨmt in coupled respiring mitochondria. We have also found that a deregulation of this mNHE function in CI, without affecting its enzymatic activity, occurs in Leber hereditary optic neuropathy (LHON), which has profound consequences in ΔΨmt and mitochondrial Ca 2+ homeostasis and explains the previously unknown molecular pathogenesis of this neurodegenerative disease.

Abstract Open-search methods allow unbiased, high-throughput identification of post-translational modifications in proteins at an unprecedented scale. The performance of current open-search algorithms is diminished by experimental errors in the determination of the precursor peptide mass. In this work we propose a semi-supervised open search approach, called ReCom, that minimizes this effect by taking advantage of a priori known information from a reference database, such as Unimod or a database provided by the user. We present a proof-of-concept study using Comet-ReCom, an improved version of Comet-PTM. Comet-ReCom increased identification performance of Comet-PTM by 68%. This increased performance of Comet-ReCom to score the MS/MS spectrum comes in parallel with a significantly better assignation of the monoisotopic peak of the precursor peptide in the MS spectrum, even in cases of peptide coelution. Our data demonstrate that open searches using ultra-tolerant mass windows can benefit from using a semi-supervised approach that takes advantage from previous knowledge on the nature of protein modifications. For Table of Contents Only

Abstract Mass-tolerant open search methods allow the high-throughput analysis of modified peptides by mass spectrometry. These techniques have paved the way to unbiased analysis of post-translational modifications (PTMs) in biological contexts, as well as of chemical modifications produced during the manipulation of protein samples. In this work, we have analyzed in-depth a wide variety of samples of different biological origin, including cells, extracellular vesicles, secretomes, centrosomes and tissue preparations, using Comet-ReCom, a recently improved version of the open search engine Comet-PTM. Our results demonstrate that glutamic acid residues undergo intensive methyl esterification when protein digestion is performed using in-gel techniques, but not using gel-free approaches. This effect was highly specific to Glu and was not found for other methylable residues such as Asp.

Post-translational modifications hugely increase the functional diversity of proteomes. Recent algorithms based on ultratolerant database searching are forging a path to unbiased analysis of peptide modifications by shotgun mass spectrometry. However, these approaches identify only half of the modified forms potentially detectable and do not map the modified residue. Moreover, tools for the quantitative analysis of peptide modifications are currently lacking. Here, we present a suite of algorithms that allow comprehensive identification of detectable modifications, pinpoint the modified residues, and enable their quantitative analysis through an integrated statistical model. These developments were used to characterize the impact of mitochondrial heteroplasmy on the proteome and on the modified peptidome in several tissues from 12-week old mice. Our results reveal that heteroplasmy mainly affects cardiac tissue, inducing oxidative damage to proteins of the oxidative phosphorylation system, and provide a molecular mechanism that explains the structural and functional alterations produced in heart mitochondria.