Abstract Enterotoxigenic Escherichia coli (ETEC) are a genetically diverse pathologic variant of E. coli defined by the production of heat-labile (LT) and/or heat-stable (ST) toxins. ETEC are estimated to cause hundreds of millions of cases of diarrheal illness annually. However, it is not clear that all strains are equally equipped to cause disease and asymptomatic colonization with ETEC is common in low-middle income regions lacking basic sanitation and clean water where ETEC are ubiquitous. Recent molecular epidemiology studies have revealed a significant association between strains which produce EatA, a secreted autotransporter protein, and the development of symptomatic infection. Here, we demonstrate that LT stimulates production of MUC2 mucin by goblet cells in human small intestine, enhancing the protective barrier between pathogens and enterocytes. In contrast, using explants of human small intestine as well as small intestinal enteroids, we show that EatA counters this host defense by engaging and degrading the MUC2 mucin barrier to promote bacterial access to target enterocytes and ultimately toxin delivery suggesting that EatA plays a crucial role in the molecular pathogenesis of ETEC. These findings may inform novel approaches to prevention of the acute diarrheal illness as well as the sequelae associated with ETEC and other pathogens that rely on EatA and similar proteases for efficient interaction with their human hosts.

Abstract The anaerobic spirochete Brachyspira causes intestinal spirochetosis, characterized by the intimate attachment of bacterial cells to the colonic mucosa, potentially leading to symptoms such as diarrhea, abdominal pain, and weight loss. Despite the clinical significance of Brachyspira infections, the mechanism behind the interaction between Brachyspira and the colonic epithelium is not known. In this study, we characterized the molecular mechanism of B. pilosicoli -epithelium interaction and its impact on the epithelial barrier during infection. Through a proteomics approach, we identified BPP43_05035 as a candidate B. pilosicoli adhesion protein that mediates bacterial attachment to cultured human colonic epithelial cells. The crystal structure of BPP43_05035 revealed a globular lipoprotein with a six-bladed beta-propeller domain. Blocking the native BPP43_05035 on B. pilosicoli , either with a specific antibody or via competitive inhibition, abrogated its binding to epithelial cells. Furthermore, the binding of BPP43_05035 to epithelial cells required surface-exposed host N -glycans. Proximity labeling and interaction assays revealed that BPP43_05035 bound to tight junctions, thereby increasing the permeability of the epithelial monolayer. Extending our investigation to human patients, we identified a downregulation of tight junction and brush border genes in B. pilosicoli -infected patients carrying detectible levels of epithelium-bound BPP43_05035. Collectively, our findings identify BPP43_05035 as a B. pilosicoli adhesin that weakens the colonic epithelial barrier during infection.

The S1 family of sulfatases is the sole family of enzymes that desulfate carbohydrates, linking them to inflammatory bowel diseases and various cancers. There is an unmet need for therapeutics against carbohydrate sulfatases, and while effective, orally available inhibitors of S1 steroid sulfatases exist, their efficacy against S1 carbohydrate sulfatases remains largely unexplored. In this study we assess a library of aryl- and carbohydrate sulfamates/sulfonates for their ability to inhibit carbohydrate sulfatases from human colonic bacteria. Surprisingly, these compounds prove ineffective. We show that arylsulfamate inhibitors inhibit the growth of anti-cancer human gut microbiota species independent of sulfatase activity. Leveraging thermal proteome profiling, we identify the non-sulfatase targets responsible for these effects. This work highlights the imperative for developing specific inhibitors targeting carbohydrate sulfatases and unveils the adverse effects of arylsulfamates, a class of drugs designed for hormone cancer treatment, on the human gut microbiota, potentially influencing their therapeutic efficacy.

We present ProteoClade, a Python toolkit that performs taxa-specific peptide assignment, protein inference, and quantitation for multi-species proteomics experiments. ProteoClade scales to hundreds of millions of protein sequences, requires minimal computational resources, and is open source, multi-platform, and accessible to non-programmers. We demonstrate its utility for processing quantitative proteomic data derived from patient-derived xenografts and its speed and scalability enable a novel de novo proteomic workflow for complex microbiota samples.

Stimulation of receptor tyrosine kinases (RTK) such as EGF locally increase reactive oxygen species (ROS) levels at the plasma membrane that oxidize cysteines in proteins to enhance downstream signaling. Spatial confinement of ROS is an important regulatory mechanism to redox signaling, but it remains unknown why stimulation of different receptor tyrosine kinases (RTKs) at the plasma membrane target distinct sets of downstream proteins. To uncover additional mechanisms specifying which cysteines are redox regulated by EGF stimulation, we performed time-resolved quantification of the oxidation of 4,200 cysteine sites subsequent to EGF stimulation in A431 cells. EGF induces three distinct spatiotemporal patterns of cysteine oxidation in functionally organized protein networks, consistent with the spatial confinement model. Unexpectedly, protein crystal structure analysis and molecular dynamic simulation indicate widespread redox regulation of cryptic cysteines that are only solvent exposed upon changes in protein conformation. Phosphorylation and increased flux of nucleotide substrates serve as two distinct modes by which EGF specifies which cryptic cysteines become solvent exposed and redox regulated. Since proteins structurally regulated by different RTKs or cellular perturbations are largely unique, solvent exposure and redox regulation of cryptic cysteines is an important mechanism contextually delineating redox signaling networks.

Abstract Large-scale proteomic profiling of protein post-translational modifications has provided important insights into the regulation of cell signaling and disease. These modification-specific proteomics workflows nearly universally enrich modified peptides prior to mass spectrometry analysis, but protein-centric proteomic software tools have many limitations evaluating and interpreting these peptide-centric datasets. We therefore developed ProteoSushi, a software tool tailored to the analysis of each modified site in peptide-centric proteomic datasets that is compatible with any post-translational modification or chemical label. ProteoSushi uses a unique approach to assign identified peptides to shared proteins and genes, minimizing redundancy by prioritizing shared assignments based on UniProt annotation score and optional user-supplied protein/gene lists. ProteoSushi simplifies quantitation by summing or averaging intensities, merging overlapping peptide charge states, missed cleavages, peptide spectral matches, and variable modifications into a single value for each modified site. ProteoSushi annotates each PTM site with the most up-to-date biological information available from UniProt, such as functional roles or known modifications, the protein domain in which the site resides, the protein’s subcellular location and function and more. ProteoSushi has a graphical user interface for ease of use. ProteoSushi’s flexibility and combination of features streamlines peptide-centric data processing and knowledge mining of large modification-specific proteomics datasets.