Hypoxia induces a group of physiologically important genes such as erythropoietin and vascular endothelial growth factor. These genes are transcriptionally up-regulated by hypoxia-inducible factor 1 (HIF-1), a global regulator that belongs to the basic helix-loop-helix PAS family. Although HIF-1 is a heterodimer composed of α and β subunits, its activity is primarily determined by hypoxia-induced stabilization of HIF-1α, which is otherwise rapidly degraded in oxygenated cells. We report the identification of an oxygen-dependent degradation (ODD) domain within HIF-1α that controls its degradation by the ubiquitin-proteasome pathway. The ODD domain consists of ≈200 amino acid residues, located in the central region of HIF-1α. Because portions of the domain independently confer degradation of HIF-1α, deletion of this entire region is required to give rise to a stable HIF-1α, capable of heterodimerization, DNA-binding, and transactivation in the absence of hypoxic signaling. Conversely, the ODD domain alone confers oxygen-dependent instability when fused to a stable protein, Gal4. Hence, the ODD domain plays a pivotal role for regulating HIF-1 activity and thereby may provide a means of controlling gene expression by changes in oxygen tension.

Hypoxia-inducible factor 1 (HIF-1) is a heterodimeric transcription factor that is critical for hypoxic induction of a number of physiologically important genes. We present evidence that regulation of HIF-1 activity is primarily determined by the stability of the HIF-1alpha protein. Both HIF-1alpha and HIF-1beta mRNAs were constitutively expressed in HeLa and Hep3B cells with no significant induction by hypoxia. However, the HIF-1alpha protein was barely detectable in normoxic cells, even when HIF-1alpha was overexpressed, but was highly induced in hypoxic cells, whereas HIF-1beta protein levels remained constant, regardless of pO2. Hypoxia-induced HIF-1 binding as well as the HIF-1alpha protein were rapidly and drastically decreased in vivo following an abrupt increase to normal oxygen tension. Moreover, short pre-exposure of cells to hydrogen peroxide selectively prevented hypoxia-induced HIF-1 binding via blocking accumulation of HIF-1alpha protein, whereas treatment of hypoxic cell extracts with H2O2 had no effect on HIF-1 binding. These observations suggest that an intact redox-dependent signaling pathway is required for destablization of the HIF-1alpha protein. In hypoxic cell extracts, HIF-1 DNA binding was reversibly abolished by sulfhydryl oxidation. Furthermore, the addition of reduced thioredoxin to cell extracts enhanced HIF-1 DNA binding. Consistent with these results, overexpression of thioredoxin and Ref-1 significantly potentiated hypoxia-induced expression of a reporter construct containing the wild-type HIF-1 binding site. These experiments indicate that activation of HIF-1 involves redox-dependent stabilization of HIF-1alpha protein.

Hypoxia induces angiogenesis and glycolysis for cell growth and survival, and also leads to growth arrest and apoptosis. HIF-1alpha, a basic helix-loop-helix PAS transcription factor, acts as a master regulator of oxygen homeostasis by upregulating various genes under low oxygen tension. Although genetic studies have indicated the requirement of HIF-1alpha for hypoxia-induced growth arrest and activation of p21(cip1), a key cyclin-dependent kinase inhibitor controlling cell cycle checkpoint, the mechanism underlying p21(cip1) activation has been elusive. Here we demonstrate that HIF-1alpha, even in the absence of hypoxic signal, induces cell cycle arrest by functionally counteracting Myc, thereby derepressing p21(cip1). The HIF-1alpha antagonism is mediated by displacing Myc binding from p21(cip1) promoter. Neither HIF-1alpha transcriptional activity nor its DNA binding is essential for cell cycle arrest, indicating a divergent role for HIF-1alpha. In keeping with its antagonism of Myc, HIF-1alpha also downregulates Myc-activated genes such as hTERT and BRCA1. Hence, we propose that Myc is an integral part of a novel HIF-1alpha pathway, which regulates a distinct group of Myc target genes in response to hypoxia.

The molecular mechanism underlying the pathogenesis of the majority of cases of sporadic Alzheimer's disease (AD) is unknown. A history of stroke was found to be associated with development of some AD cases, especially in the presence of vascular risk factors. Reduced cerebral perfusion is a common vascular component among AD risk factors, and hypoxia is a direct consequence of hypoperfusion. Previously we showed that expression of the β-site β-amyloid precursor protein (APP) cleavage enzyme 1 (BACE1) gene BACE1 is tightly controlled at both the transcriptional and translational levels and that increased BACE1 maturation contributes to the AD pathogenesis in Down's syndrome. Here we have identified a functional hypoxia-responsive element in the BACE1 gene promoter. Hypoxia up-regulated β-secretase cleavage of APP and amyloid-β protein (Aβ) production by increasing BACE1 gene transcription and expression both in vitro and in vivo . Hypoxia treatment markedly increased Aβ deposition and neuritic plaque formation and potentiated the memory deficit in Swedish mutant APP transgenic mice. Taken together, our results clearly demonstrate that hypoxia can facilitate AD pathogenesis, and they provide a molecular mechanism linking vascular factors to AD. Our study suggests that interventions to improve cerebral perfusion may benefit AD patients.

SummaryHypoxia promotes genetic instability by undefined mechanisms. The transcription factor HIF-1α is crucial for the cellular response to hypoxia and is frequently overexpressed in human cancers, resulting in the activation of genes essential for cell survival. Here, we demonstrate that HIF-1α is responsible for genetic instability at the nucleotide level by inhibiting MSH2 and MSH6, thereby decreasing levels of the MSH2-MSH6 complex, MutSα, which recognizes base mismatches. HIF-1α displaces the transcriptional activator Myc from Sp1 binding to repress MutSα expression in a p53-dependent manner; Sp1 serves as a molecular switch by recruiting HIF-1α to the gene promoter under hypoxia. Furthermore, in human sporadic colon cancers, HIF-1α overexpression is statistically associated with the loss of MSH2 expression, especially when p53 is immunochemically undetectable. These findings indicate that the regulation of DNA repair is an integral part of the hypoxic response, providing molecular insights into the mechanisms underlying hypoxia-induced genetic instability.

The principles governing acquisition and interspecies exchange of nutrients in microbial communities and how those exchanges impact community productivity are poorly understood. Here, we examine energy and macronutrient acquisition in unicyanobacterial consortia for which species-resolved genome information exists for all members, allowing us to use multi-omic approaches to predict species’ abilities to acquire resources and examine expression of resource-acquisition genes during succession. Metabolic reconstruction indicated that a majority of heterotrophic community members lacked the genes required to directly acquire the inorganic nutrients provided in culture medium, suggesting high metabolic interdependency. The sole primary producer in consortium UCC-O, cyanobacterium Phormidium sp. OSCR, displayed declining expression of energy harvest, carbon fixation, and nitrate and sulfate reduction proteins but sharply increasing phosphate transporter expression over 28 days. Most heterotrophic members likewise exhibited signs of phosphorus starvation during succession. Though similar in their responses to phosphorus limitation, heterotrophs displayed species-specific expression of nitrogen acquisition genes. These results suggest niche partitioning around nitrogen sources may structure the community when organisms directly compete for limited phosphate. Such niche complementarity around nitrogen sources may increase community diversity and productivity in phosphate-limited phototrophic communities.

Abstract Many peptide hormones form an alpha-helix upon binding their receptors 1–4 , and sensitive detection methods for them could contribute to better clinical management. De novo protein design can now generate binders with high affinity and specificity to structured proteins 5,6 . However, the design of interactions between proteins and short helical peptides is an unmet challenge. Here, we describe parametric generation and deep learning-based methods for designing proteins to address this challenge. We show that with the RF diffusion generative model, picomolar affinity binders can be generated to helical peptide targets either by noising and then denoising lower affinity designs generated with other methods, or completely de novo starting from random noise distributions; to our knowledge these are the highest affinity designed binding proteins against any protein or small molecule target generated directly by computation without any experimental optimization. The RF diffusion designs enable the enrichment of parathyroid hormone or other bioactive peptides in human plasma and subsequent detection by mass spectrometry, and bioluminescence-based protein biosensors. Capture reagents for bioactive helical peptides generated using the methods described here could aid in the improved diagnosis and therapeutic management of human diseases. 7,8

SARS-CoV-2 infections elicit both humoral and cellular immune responses. For the prevention and treatment of COVID19, the disease caused by SARS-CoV-2, T cell responses are important in mediating recovery and immune-protection. The identification of immunogenic epitopes that can elicit a meaningful T cell response can be elusive. Traditionally, this has been achieved using sophisticated in silico methods to predict putative epitopes; however, our previous studies find that 'immunodominant' SARS-CoV-2 peptides defined by such in silico methods often fail to elicit T cell responses recognizing SARS-CoV-2. We postulated that immunogenic epitopes for SARS-CoV-2 are best defined by directly analyzing peptides eluted from the peptide-MHC complex and then validating immunogenicity empirically by determining if such peptides can elicit T cells recognizing SARS-CoV-2 antigen-expressing cells. Using a tandem mass spectrometry approach, we identified epitopes of SARS-CoV-2 derived not only from structural but also non-structural genes in regions highly conserved among SARS-CoV-2 strains including recently recognized variants. We report here, for the first time, several novel SARS-CoV-2 epitopes from membrane glycol-protein (MGP) and non-structure protein-13 (NSP13) defined by mass-spectrometric analysis of MHC-eluted peptides, provide empiric evidence for their immunogenicity to induce T cell response.Current state of the art uses putative epitope peptides based on in silico prediction algorithms to evaluate the T cell response among COVID-19 patients. However, none of these peptides have been tested for immunogenicity, i.e. the ability to elicit a T cell response capable of recognizing endogenously presented peptide. In this study, we used MHC immune-precipitation, acid elution and tandem mass spectrometry to define the SARS-CoV-2 immunopeptidome for membrane glycol-protein and the non-structural protein. Furthermore, taking advantage of a highly robust endogenous T cell (ETC) workflow, we verify the immunogenicity of these MS-defined peptides by in vitro generation of MGP and NSP13 peptide-specific T cells and confirm T cell recognition of MGP or NSP13 endogenously expressing cell lines.

ABSTRACT Mass spectrometry based targeted proteomics methods provide sensitive and high-throughput analysis of selected proteins. To develop a targeted bottom-up proteomics assay, peptides must be evaluated as proxies for the measurement of a protein or proteoform in a biological matrix. Candidate peptide selection typically relies on predetermined biochemical properties, data from semi-stochastic sampling, or by empirical measurements. These strategies require extensive testing and method refinement due to the difficulties associated with prediction of peptide response in the biological matrix of interest. Gas-phase fractionated (GPF) narrow window data-independent acquisition (DIA) aids in the development of reproducible selected reaction monitoring (SRM) assays by providing matrix-specific information on peptide detectability and quantification by mass spectrometry. To demonstrate the suitability of DIA data for selecting peptide targets, we reimplement a portion of an existing assay to measure 98 Alzheimer’s disease proteins in cerebrospinal fluid (CSF). Peptides were selected from GPF-DIA based on signal intensity and reproducibility. The resulting SRM assay exhibits similar quantitative precision to published data, despite the inclusion of different peptides between the assays. This workflow enables development of new assays without additional up-front data acquisition, demonstrated here through generation of a separate assay for an unrelated set of proteins in CSF from the same dataset.