SUMMARY Viruses mimic host short linear motifs (SLiMs) to hijack and deregulate cellular functions. Studies of motif-mediated interactions therefore provide insight into virus-host dependencies, and reveal targets for therapeutic intervention. Here, we describe the pan-viral discovery of 1,712 SLiM-based virus-host interactions using a phage peptidome tiling the intrinsically disordered protein regions of 229 RNA viruses. We find mimicry of host SLiMs to be a ubiquitous viral strategy, reveal novel host proteins hijacked by viruses, and identify cellular pathways frequently deregulated by viral motif mimicry. Using structural and biophysical analyses, we show that viral mimicry-based interactions have similar binding strength and bound conformations as endogenous interactions. Finally, we establish polyadenylate-binding protein 1 as a potential target for broad-spectrum antiviral agent development. Our platform enables rapid discovery of mechanisms of viral interference and the identification of potential therapeutic targets which can aid in combating future epidemics and pandemics.

Abstract Specific protein-protein interactions are central to all processes that underlie cell physiology. Numerous studies using a wide range of experimental approaches have identified tens of thousands of human protein-protein interactions. However, many interactions remain to be discovered, and low affinity, conditional and cell type-specific interactions are likely to be disproportionately under-represented. Moreover, for most known protein-protein interactions the binding regions remain uncharacterized. We previously developed proteomic peptide phage display (ProP-PD), a method for simultaneous proteome-scale identification of short linear motif (SLiM)-mediated interactions and footprinting of the binding region with amino acid resolution. Here, we describe the second-generation human disorderome (HD2), an optimized ProP-PD library that tiles all disordered regions of the human proteome and allows the screening of ~1,000,000 overlapping peptides in a single binding assay. We define guidelines for how to process, filter and rank the results and provide PepTools, a toolkit for annotation and analysis of identified hits. We uncovered 2,161 interaction pairs for 35 known SLiM-binding domains and confirmed a subset of 38 interactions by biophysical or cell-based assays. Finally, we show how the amino acid resolution binding site information can be used to pinpoint functionally important disease mutations and phosphorylation events in intrinsically disordered regions of the human proteome. The HD2 ProP-PD library paired with PepTools represents a powerful pipeline for unbiased proteome-wide discovery of SLiM-based interactions.

Abstract Viral proteins make extensive use of short peptide interaction motifs to hijack cellular host factors. However, current methods do not identify this important class of protein-protein interactions. Uncovering peptide mediated interactions provides both a molecular understanding of viral interactions with their host and the foundation for developing novel antiviral reagents. Here we describe a scalable viral peptide discovery approach covering 229 RNA viruses that provides high resolution information on direct virus-host interactions. We identify 269 peptide-based interactions for 18 coronaviruses including a specific interaction between the human G3BP1/2 proteins and an ΦxFG peptide motif in the SARS-CoV-2 nucleocapsid (N) protein. This interaction supports viral replication and through its ΦxFG motif N rewires the G3BP1/2 interactome to disrupt stress granules. A peptide-based inhibitor disrupting the G3BP1/2-N interaction blocks SARS-CoV-2 infection showing that our results can be directly translated into novel specific antiviral reagents.

In 2018–2019, Thailand experienced a nationwide spread of chikungunya virus (CHIKV), with approximately 15,000 confirmed cases of disease reported. Here, we investigated the evolutionary and molecular history of the East/Central/South African (ECSA) genotype to determine the origins of the 2018–2019 CHIKV outbreak in Thailand. This was done using newly sequenced clinical samples from travellers returning to Sweden from Thailand in late 2018 and early 2019 and previously published genome sequences. Our phylogeographic analysis showed that before the outbreak in Thailand, the Indian Ocean lineage (IOL) found within the ESCA, had evolved and circulated in East Africa, South Asia, and Southeast Asia for about 15 years. In the first half of 2017, an introduction occurred into Thailand from another South Asian country, most likely Bangladesh, which subsequently developed into a large outbreak in Thailand with export to neighbouring countries. Based on comparative phylogenetic analyses of the complete CHIKV genome and protein modelling, we identified several mutations in the E1/E2 spike complex, such as E1 K211E and E2 V264A, which are highly relevant as they may lead to changes in vector competence, transmission efficiency and pathogenicity of the virus. A number of mutations (E2 G205S, Nsp3 D372E, Nsp2 V793A), that emerged shortly before the outbreak of the virus in Thailand in 2018 may have altered antibody binding and recognition due to their position. This study not only improves our understanding of the factors contributing to the epidemic in Southeast Asia, but also has implications for the development of effective response strategies and the potential development of new vaccines.

ABSTRACT The transcription factor and cell cycle regulator p53 is marked for degradation by the ubiquitin ligase MDM2. The interaction between these two proteins is mediated by a conserved binding motif in the disordered p53 transactivation domain (p53TAD) and the folded SWIB domain in MDM2. The conserved motif in p53TAD from zebrafish displays a 20-fold weaker interaction with MDM2, compared to the interaction in human and chicken. To investigate this apparent difference, we tracked the molecular evolution of the p53TAD/MDM2 interaction among ray- finned fishes (Actinopterygii), the largest vertebrate clade. Intriguingly, phylogenetic analyses, ancestral sequence reconstructions, and binding experiments showed that different loss-of- affinity changes in the canonical binding motif within p53TAD have occurred repeatedly and convergently in different fish lineages, resulting in relatively low extant affinities ( K D = 0.5-5 μM). However, for eleven different fish p53TAD/MDM2 interactions, non-conserved regions flanking the canonical motif increased the affinity 4 to 73-fold to be on par with the human interaction. Our findings suggest that compensating changes at conserved and non-conserved positions within the motif, as well as in flanking regions of low conservation, underlie a stabilizing selection of “functional affinity” in the p53TAD/MDM2 interaction. Such interplay complicates bioinformatic prediction of binding and call for experimental validation. Motif- mediated protein-protein interactions involving short binding motifs and folded interaction domains are very common across multicellular life. It is likely that evolution of affinity in motif- mediated interactions often involves an interplay between specific interactions made by conserved motif residues and non-specific interactions by non-conserved disordered regions.

Abstract In 2018–2019, Thailand experienced a nationwide spread of chikungunya virus (CHIKV), with approximately 15,000 confirmed cases of disease reported. Here, we investigated the evolutionary and molecular history of the East/Central/South African (ECSA) genotype to determine the origins of the 2018–2019 CHIKV outbreak in Thailand. This was done using newly sequenced clinical samples from travellers returning to Sweden from Thailand in late 2018 and early 2019 and previously published genome sequences. Our phylogeographic analysis showed that before the outbreak in Thailand, the Indian Ocean lineage (IOL) found within the ESCA, had evolved and circulated in East Africa, South Asia, and Southeast Asia for about 15 years. In the first half of 2017, an introduction occurred into Thailand from another South Asian country, most likely Bangladesh, which subsequently developed into a large outbreak in Thailand with export to neighbouring countries. Based on comparative phylogenetic analyses of the complete CHIKV genome and protein modelling, we also identified amino acid substitutions that may be associated with immune evasion, increased spread, and virulence. We identified several mutations in the E1/E2 spike complex, such as E1 K211E and E2 V264A, which are highly relevant as they may lead to changes in vector competence, transmission efficiency and pathogenicity of the virus. A number of mutations (E2 G205S, Nsp3 D372E, Nsp2 V793A), that emerged shortly before the outbreak of the virus in Thailand in 2018 may have altered antibody binding and recognition due to their position. This study not only improves our understanding of the factors contributing to the epidemic in Southeast Asia, but also has implications for the development of effective response strategies and the potential development of new vaccines. Author Summary We investigated the evolutionary and molecular history of the East/Central/South African (ECSA) genotype to determine the origins of the 2018–2019 chikungunya virus (CHIKV) outbreak in Thailand. We used newly sequenced clinical samples from travellers returning to Sweden from Thailand in late 2018 and early 2019 together with previously published genome sequences. Our phylogeographic analysis shows that the Indian Ocean lineage (IOL), found within ECSA, evolved in Eastern Africa, Southern Asia, and Southeast Asia for about 15 years before the outbreak in Thailand in 2018. We have also identified amino acid substitutions that may be associated with immune evasion, increased spread, and higher virulence that occurred prior to the outbreak and may have played a critical role in the rapid spread of the virus. Our study concludes that monitoring and understanding CHIKV dynamics remains critical for an effective response to the previously unpredictable outbreaks of the virus.

Abstract Low affinity and transient protein-protein interactions, such as short linear motif (SLiM)-based interactions, require dedicated experimental tools for discovery and validation. Here, we evaluated and compared biotinylated peptide pulldown and protein interaction screen on peptide matrix (PRISMA) coupled to mass-spectrometry (MS) using a set of peptides containing interaction motifs. Eight different peptide sequences that engage in interactions with three distinct protein domains (KEAP1 Kelch, MDM2 SWIB, and TSG101 UEV) with a wide range of affinities were tested. We found that peptide pulldown can be an effective approach for SLiM validation, however, parameters such as protein abundance and competitive interactions can prevent the capture of known interactors. The use of tandem peptide repeats improved the capture and preservation of some interactions. When testing PRISMA, it failed to provide comparable results for a model peptide that successfully pulled down a known interactor using biotinylated peptide pulldown. Overall, in our hands, we find that albeit more laborious, biotin-peptide pulldown was more successful in terms of validation of known interactions. Our results highlight that the tested affinity-capture MS-based methods for validation of SLiM-based interactions from cell lysates are suboptimal, and we identified parameters for consideration for method development.

The infection and replication cycle of all viruses depend on interactions between viral and host proteins. Each of these protein-protein interactions is therefore a potential drug target. These host-virus interactions often involve a disordered protein region on one side of the interface and a folded protein domain on the other. Here, we used proteomic peptide phage display (ProP-PD) to identify peptides from the intrinsically disordered regions of the human proteome that bind to folded protein domains encoded by the SARS-CoV-2 genome. Eleven folded domains of SARS-CoV-2 proteins were found to bind peptides from human proteins. Of 281 high/medium confidence peptides, 23 interactions involving eight SARS-CoV-2 protein domains were tested by fluorescence polarization, and binding was observed with affinities spanning the whole micromolar range. The key specificity determinants were established for six of these domains, two based on ProP-PD and four by alanine scanning SPOT arrays. Finally, two cell-penetrating peptides, targeting Nsp9 and Nsp16, respectively, were shown to function as inhibitors of viral replication. Our findings demonstrate how high-throughput peptide binding screens simultaneously provide information on potential host-virus interactions and identify ligands with antiviral properties.

ABSTRACT The interaction between the transcription factor p53 and the ubiquitin ligase MDM2 results in degradation of p53 and is well studied in cancer biology and drug development. Available sequence data suggest that both p53 and MDM2-family proteins are present across the animal kingdom. However, the interacting regions are missing in some animal groups, and it is not clear whether MDM2 interacts with, and regulates p53 in all species. We used phylogenetic analyses and biophysical measurements to examine the evolution of affinity between the interacting protein regions: a conserved 12-residue intrinsically disordered binding motif in the p53 transactivation domain (TAD) and the folded SWIB domain of MDM2. The affinity varied significantly across the animal kingdom. The p53TAD/MDM2 interaction among jawed vertebrates displayed high affinity, in particular for chicken and human proteins ( K D around 0.1 μM). The affinity of the bay mussel p53TAD/MDM2 complex was lower ( K D = 15 μM) and those from a placozoan, an arthropod and a jawless vertebrate were very low or non-detectable ( K D > 100 μM). Binding experiments with reconstructed ancestral p53TAD/MDM2 variants suggested that a micromolar affinity interaction was present in the ancestral bilaterian animal and was later enhanced in tetrapods while lost in other linages. The different evolutionary trajectories of p53TAD/MDM2 affinity during speciation demonstrate high plasticity of motif-mediated interactions and the potential for rapid adaptation of p53 regulation during times of change. Neutral drift in unconstrained disordered regions may underlie the plasticity and explain the observed low sequence conservation in transactivation domains such as p53TAD. Statement for broader audience The protein p53 regulates central cellular processes including cell division and programmed cell death. p53 is regulated by another protein, MDM2, which binds to p53 and marks it for destruction. We measured the interaction between present-day and reconstructed ancient p53 and MDM2 proteins and found a range of binding strengths. Our findings suggest that rapid evolution of the p53/MDM2 interaction facilitates adaptation of p53 regulation during speciation.

Abstract Deep mutational scanning (DMS) has emerged as a powerful approach for evaluating the effects of mutations on binding or function. Here, we developed a multiplexed DMS by phage display protocol to define the binding determinants of short linear motifs (SLiMs) binding to peptide binding domains. We first designed a benchmarking DMS library to evaluate the performance of the approach on well-known ligands for eleven different peptide binding domains, including the talin-1 PTB domain. Systematic benchmarking against a gold-standard set of motifs from the eukaryotic linear motif (ELM) database confirmed that the DMS by phage analysis correctly identifies known motif binding determinants. The DMS analysis further defined a non-canonical PTB binding motif, with a putative extended conformation. A second DMS library was designed aiming to provide information on the binding determinants for 19 SLiM-based interactions between human and SARS-CoV-2 proteins. The analysis confirmed the affinity determining residues of viral peptides binding to host proteins, and refined the consensus motifs in human peptides binding to five domains from SARS-CoV-2 proteins, including the non-structural protein (NSP) 9. The DMS analysis further pinpointed mutations that increased the affinity of ligands for NSP3 and NSP9. An affinity improved cell-permeable NSP9-binding peptide was found to exert stronger antiviral effects as compared to the initial wild-type peptide. Our study demonstrates that DMS by phage display can efficiently be multiplexed and applied to refine binding determinants, and shows how DMS by phage display can guide peptide-engineering efforts.