ABSTRACT Resistance to targeted therapies is an important clinical problem in HER2-positive (HER2+) breast cancer. “Drug-tolerant persisters” (DTPs), a sub-population of cancer cells that survive via reversible, non-genetic mechanisms, are implicated in resistance to tyrosine kinase inhibitors (TKIs) in other malignancies, but DTPs following HER2 TKI exposure have not been well characterized. We found that HER2 TKIs evoke DTPs with a luminal-like or a mesenchymal-like transcriptome. Lentiviral barcoding/single cell RNA-sequencing reveal that HER2+ breast cancer cells cycle stochastically through a “pre-DTP” state, characterized by a G 0 -like expression signature and enriched for diapause and/or senescence genes. Trajectory analysis/cell sorting show that pre-DTPs preferentially yield DTPs upon HER2 TKI exposure. Cells with similar transcriptomes are present in HER2+ breast tumors and are associated with poor TKI response. Finally, biochemical experiments indicate that luminal-like DTPs survive via estrogen receptor-dependent induction of SGK3, leading to rewiring of the PI3K/AKT/mTORC1 pathway to enable AKT-independent mTORC1 activation. STATEMENT OF SIGNIFICANCE DTPs are implicated in resistance to TKIs, other targeted therapies, and chemotherapy, but their ontogeny and vulnerabilities remain unclear. We find that HER2 TKI-DTPs emerge from stochastically arising primed cells (“pre-DTPs”) that preferentially engage either of two distinct transcriptional programs upon TKI exposure. Our results provide new insights into DTP ontogeny and identify potential therapeutic vulnerabilities.

Argonaute proteins use nucleic acid guides to protect organisms against transposons and viruses. In the eubacterium Thermus thermophilus, the DNA-guided Argonaute TtAgo defends against transformation by DNA plasmids. Here, we report that TtAgo also participates in DNA replication. TtAgo binds small DNA guides derived from the chromosomal region where replication terminates and associates with proteins known to act in DNA replication. T. thermophilus deploys a single type II topoisomerase, gyrase. When gyrase is inhibited, T. thermophilus relies on TtAgo to complete replication of its circular genome; loss of both gyrase and TtAgo activity produces long filaments that fail to separate into individual bacteria. We propose that the primary role of TtAgo is to help T. thermophilus disentangle the catenated circular chromosomes made by DNA replication.

Modern mass spectrometry now permits genome-scale and quantitative measurements of biological proteomes. However, analyses of specific specimens are currently hindered by the incomplete representation of biological variability of protein sequences in canonical reference proteomes, and the technical demands for their construction. Here, we report ProteomeGenerator, a framework for de novo and reference-assisted proteogenomic database construction and analysis based on sample-specific transcriptome sequencing and high resolution and high-accuracy mass spectrometry proteomics. This enables assembly of proteomes encoded by actively transcribed genes, including sample-specific protein isoforms resulting from non-canonical mRNA transcription, splicing, or editing. To improve the accuracy of protein isoform identification in non-canonical proteomes, ProteomeGenerator relies on statistical target-decoy database matching augmented with spectral-match calibrated sample-specific controls. We applied this method for the proteogenomic discovery of splicing factor SRSF2-mutant leukemia cells, demonstrating high-confidence identification of non-canonical protein isoforms arising from alternative transcriptional start sites, intron retention, and cryptic exon splicing, as well as improved accuracy of genome-scale proteome discovery. Additionally, we report proteogenomic performance metrics for the current state-of-the-art implementations of SEQUEST HT, Proteome Discoverer, MaxQuant, Byonic, and PEAKS mass spectral analysis algorithms. Finally, ProteomeGenerator is implemented as a Snakemake workflow, enabling open, scalable, and facile discovery of sample-specific, non-canonical and neomorphic biological proteomes (https://github.com/jtpoirier/proteomegenerator).

Abstract E3-ubiquitin ligases (E3s) are main components of the ubiquitin-proteasome system (UPS), as they determine substrate specificity in response to internal and external cues to regulate protein homeostasis. However, the regulation of membrane protein ubiquitination by E3s within distinct cell membrane compartments or organelles is not well understood. We show that FBXO10, the interchangeable component of the SKP1/CUL1/F-box ubiquitin ligase complex (SCF-E3), undergoes lipid-modification with geranylgeranyl isoprenoid at Cysteine953 (C953), facilitating its dynamic trafficking to the outer mitochondrial membrane (OMM). FBXO10 polypeptide does not contain a canonical mitochondrial targeting sequence (MTS); instead, its geranylgeranylation at C953 and the interaction with two cytosolic factors, PDE6δ (a prenyl group-binding protein), and HSP90 (a mitochondrial chaperone) orchestrate specific OMM targeting of prenyl-FBXO10 across diverse membrane compartments. The geranylgeranylation-deficient FBXO10(C953S) mutant redistributes away from the OMM, leading to impaired mitochondrial ATP production, decreased mitochondrial membrane potential, and increased mitochondrial fragmentation. Phosphoglycerate mutase 5 (PGAM5) was identified as a potential substrate of FBXO10 at the OMM using comparative quantitative mass spectrometry analyses of enriched mitochondria (LFQ-MS/MS), leveraging the redistribution of FBXO10(C953S). FBXO10, but not FBXO10(C953S), promoted polyubiquitylation and degradation of PGAM5. Examination of the role of this pathway in a physiological context revealed that the loss of FBXO10 or expression of prenylation-deficient-FBXO10(C953S) inhibited PGAM5 degradation, disrupted mitochondrial homeostasis, and impaired myogenic differentiation of human iPSCs and murine myoblasts. Our studies identify a mechanism for selective E3-ligase mediated regulation of mitochondrial membrane proteostasis and metabolic health, potentially amenable to therapeutic intervention.

The bacterial pathogen Mycobacterium (M.) tuberculosis is the leading cause of death by an infectious disease among humans. Here, we describe a previously uncharacterized M. tuberculosis protein, Rv0991c, as a molecular chaperone that is activated by oxidation. Rv0991c has homologues in most bacterial lineages and appears to function analogously to the well-characterized Escherichia coli redox-regulated chaperone Hsp33, despite a dissimilar protein sequence. Rv0991c is transcriptionally co-regulated with hsp60 and hsp70 chaperone genes in M. tuberculosis, suggesting that Rv0991c functions with these chaperones in maintaining protein quality control. Supporting this hypothesis, we found that, like oxidized Hsp33, oxidized Rv0991c prevents the aggregation of a model unfolded protein in vitro, and promotes its refolding by the M. tuberculosis Hsp70 chaperone system. Furthermore, Rv0991c interacts with DnaK and associates with many other M. tuberculosis proteins. Importantly, we found Rv0991c is required for the full virulence of M. tuberculosis in mice. We therefore propose that Rv0991c, which we named "Ruc" (redox-regulated protein with unstructured C-terminus), represents a founding member of a new chaperone family that protects M. tuberculosis and other species from proteotoxicity during oxidative stress.

Brain metastasis is a significant cause of morbidity and mortality in multiple cancer types and represents an unmet clinical need. The mechanisms that mediate metastatic cancer growth in the brain parenchyma are largely unknown. Melanoma, which has the highest rate of brain metastasis among common cancer types, is an ideal model to study how cancer cells adapt to the brain parenchyma. We performed unbiased proteomics analysis of melanoma short-term cultures, a novel model for the study of brain metastasis. Intriguingly, we found that proteins implicated in neurodegenerative pathologies are differentially expressed in melanoma cells explanted from brain metastases compared to those derived from extracranial metastases. This raised the exciting hypothesis that molecular pathways implicated in neurodegenerative disorders are critical for metastatic adaptation to the brain. Here, we show that melanoma cells require amyloid beta (Aβ), a polypeptide heavily implicated in Alzheimer's disease, for growth and survival in the brain parenchyma. Melanoma cells produce and secrete Aβ, which activates surrounding astrocytes to a pro-metastatic, anti-inflammatory phenotype. Furthermore, we show that pharmacological inhibition of Aβ decreases brain metastatic burden. Our results reveal a mechanistic connection between brain metastasis and Alzheimer's disease - two previously unrelated pathologies, establish Aβ as a promising therapeutic target for brain metastasis, and demonstrate suppression of neuroinflammation as a critical feature of metastatic adaptation to the brain parenchyma.

The human pathogen Mycobacterium tuberculosis (M. tuberculosis) encodes a proteasome that carries out regulated degradation of bacterial proteins. It has been proposed that the proteasome contributes to nitrogen metabolism in M. tuberculosis, although this hypothesis had not been tested. Upon assessing M. tuberculosis growth in several nitrogen sources, we found that a mutant strain lacking the Mycobacterium proteasomal activator Mpa was unable to use nitrate as a sole nitrogen source due to a specific failure in the pathway of nitrate reduction to ammonium. We found that the robust activity by the nitrite reductase complex NirBD depended on expression of the groEL/groES chaperonin genes, which are regulated by the repressor HrcA. We identified HrcA as a likely proteasome substrate, and propose that the degradation of HrcA is required for the full expression of chaperonin genes. Furthermore, our data suggest that degradation of HrcA, along with numerous other proteasome substrates, is enhanced during growth in nitrate to facilitate the de-repression of the chaperonin genes. Importantly, growth in nitrate is the first example of a specific condition that reduces the steady-state levels of numerous proteasome substrates in M. tuberculosis.