The Infinium DNA Methylation BeadChips have significantly contributed to population-scale epigenetics research by enabling epigenome-wide trait association discoveries. Here, we design, describe, and experimentally verify a new iteration of this technology, the Methylation Screening Array (MSA), to focus on human trait screening and discovery. This array utilizes extensive data from previous Infinium platform-based epigenome-wide association studies (EWAS). It incorporates knowledge from the latest single-cell and cell type-resolution whole genome methylome profiles. The MSA is engineered to achieve scalable screening of epigenetics-trait association in an ultra-high sample throughput. Our design encompassed diverse human trait associations, including those with genetic, cellular, environmental, and demographical variables and human diseases such as genetic, neurodegenerative, cardiovascular, infectious, and immune diseases. We comprehensively evaluated this array's reproducibility, accuracy, and capacity for cell-type deconvolution and supporting 5-hydroxymethylation profiling in diverse human tissues. Our first atlas data using this platform uncovered the complex chromatin and tissue contexts of DNA modification variations and genetic variants linked to human phenotypes.

Factor VIII (FVIII) is the coagulation factor deficient in hemophilia A, which is treated by protein replacement. Unfortunately, this regimen is costly due to the expense of producing recombinant FVIII as a consequence of its low level secretion. FVIII expression activates the endoplasmic reticulum (ER) stress response, causes oxidative stress and induces apoptosis. Importantly, little is known about the factors that cause protein misfolding and aggregation in metazoans. Here we identified intrinsic and extrinsic factors that cause FVIII to form aggregates. We show that FVIII forms amyloid-like fibrils within the ER upon increased FVIII synthesis or inhibition of glucose metabolism. Significantly, FVIII amyloids can be dissolved upon restoration of glucose metabolism to produce functional secreted FVIII. Two ER chaperone families and their co-chaperones, BiP and CANX/CRT, promote FVIII solubility in the ER, where the former is also required for disaggregation. A short aggregation motif in the FVIII A1 domain (termed Aggron) is necessary and sufficient to seed beta-sheet polymerization and BiP binding to this Aggron prevents amyloidogenesis. Our findings provide novel insight into mechanisms that limit FVIII secretion and ER protein folding in general and have implication for ongoing hemophilia A gene therapy clinical trials.

The beta-cell protein synthetic machinery is dedicated to the production of insulin, which plays a critical role in organismal homeostasis. Insulin synthesis requires the proper folding and trafficking of its precursor, proinsulin, yet the precise network of proinsulin protein interactions in the secretory pathway remains poorly defined. In the present study we conducted unbiased profiling of the proinsulin interactome in human islets, utilizing a human proinsulin-specific monoclonal antibody for affinity purification and mass spectrometry. Stringent analysis identified a central node of interactions between human proinsulin and sequential secretory pathway proteins that is remarkably conserved across 3 ethnicities and both genders. Among the most prominent proinsulin interactions was with ER-localized peroxiredoxin-4 (PRDX4). A functional role for PRDX4 in beta-cells was demonstrated by gene silencing that rendered proinsulin susceptible to misfolding, particularly in response to oxidative stress. Conversely, exogenous PRDX4 improved proinsulin folding. Notably, oxidative stress and even high glucose treatment alone induced proinsulin misfolding in human islets and MIN6 cells, and this was accompanied by sulfonylation of PRDX4, a modification known to inactivate peroxiredoxins. This finding prompted PRDX4 analysis in a panel of human islet samples that revealed significantly higher levels of sulfonylated (inactive) PRDX4 in islets from patients with T2D compared to that of healthy individuals. Taken together, these data highlight the importance of elucidating the complete proinsulin interactome in human islets in order to understand critical steps controlling insulin biosynthesis, beta cell function, and T2D.

Abstract Aberrant biosynthesis and secretion of the insulin precursor proinsulin occurs in both Type I and Type II diabetes (T1D, T2D). Inflammatory cytokines are implicated in pancreatic islet stress in both forms of diabetes but the mechanisms remain unclear. Here we examined how the diabetes associated cytokines interleukin-1β and interferon-γ alter proinsulin interactions with proteins that regulate its folding, trafficking, and secretion. Human islets treated with cytokines exhibited secretion of proinsulin, IL6 and nitrite, as well as evidence of endoplasmic reticulum (ER) stress. Unbiased proinsulin Affinity Purification-Mass Spectrometry revealed a proinsulin interactome reshaped by cytokines relative to controls. Cytokine treatment increased proinsulin binding to multiple ER chaperones and oxidoreductases, including the major ER chaperone BiP. Moreover, increased BiP binding was an adaptive response required to maintain proinsulin folding in the inflammatory environment. Cytokines also regulated novel interactions between proinsulin and T1D and T2D GWAS candidate proteins not previously known to interact with proinsulin ( e . g ., Ataxin-2) and these GWAS proteins formed a tight network with each other. Finally, cytokines induced proinsulin interactions with a cluster of microtubule motor proteins. Consistent with a role for these proteins in proinsulin trafficking and release, chemical destabilization of microtubules with Nocodazole exacerbated cytokine induced proinsulin secretion. Together, the data quantitatively map the proinsulin interactome rewired by cytokines, shedding new light on how human proinsulin biosynthesis is dysregulated by an inflammatory environment.