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 The ERM (ezrin, radixin and moesin) family of proteins and the related protein merlin participate in signaling events at the cell cortex. The proteins share an N-terminal FERM (band Four-point-one (4.1) ERM) domain comprised of three subdomains (F1, F2, and F3) that hold multiple binding sites for short linear peptide motifs. By screening the FERM domains of the ERMs and merlin against a phage library that display peptides representing the intrinsically disordered regions of the human proteome we identified more than 220 FERM binding peptides. The majority of the peptides contained an apparent Yx[FILV] motif, but ligands with alternative motifs were also found. Interactions with thirteen peptides were validated using a fluorescence polarization assay, and interactions with seven full-length proteins were validated through pull-down experiments. We investigated the energy landscapes of interactions between the moesin FERM domain and representative set of ligands using Rosetta FlexPepDock computational peptide docking protocols, which provide a detailed molecular understanding of the binding of peptides with distinct motifs (YxV and E[Y/F]xDFYDF) to different sites on the F3 subdomain. A third motif (FY[D/E]L(4-5x)PLxxx[L/V]) was proposed to bind more diffusely. By combining competition and modeling experiments, we further uncovered interdependencies between different types of ligands. The study expands the motif-based interactomes of the ERMs and merlin, and suggests that the FERM domain acts as a switchable interaction hub where one class of ligands to the F3 subdomain allosterically regulates binding of other F3 ligands.

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.

Abstract The spike protein of the SARS-CoV-2 interacts with angiotensin converting enzyme 2 (ACE2) and enters the host cell by receptor-mediated endocytosis. Concomitantly, evidence is pointing to the involvement of additional host cell receptors, such as integrins. The cytoplasmic tails of ACE2 and integrin β3 contain a plethora of predicted binding motifs. Here, we confirm the functionality of some of these motifs through affinity measurements. The class I PDZ binding motif in the ACE2 cytoplasmic tail binds the first PDZ domain of the scaffold protein NHERF3. The clathrin-adaptor subunit AP2 μ2 interacts with an endocytic motif in the ACE2 with low affinity and the interaction is abolished by phosphorylation of Tyr781. Furthermore, the C-terminal region of integrin b3 contains a LC3-interacting region, and its interaction with ATG8 domains is enhanced by phosphorylation. Together, our data provides possible molecular links between host cell receptors and endocytosis and autophagy. One sentence summary Affinity measurements confirmed binding of short linear motifs in the cytoplasmic tails of ACE2 and integrin β3, thereby linking the receptors to endocytosis and autophagy.

We report phosphomimetic proteomic peptide-phage display, a powerful large-scale method for finding ligands of short linear motif binding domains that simultaneously pinpoint functional Ser/Thr phosphosites in three steps. First, we computationally designed an oligonucleotide library encoding all human C-terminal peptides containing known or predicted Ser/Thr phosphosites and phosphomimetic variants thereof. Second, we incorporated these oligonucleotides into a phage library. Third, we screened the six PDZ (PSD-95/Dlg/ZO-1) domains of Scribble and DLG1 for binding and identified known and novel ligands from the human proteome, and whether these interactions may be regulated by ligand phosphorylation. We demonstrate that the Scribble PDZ domains preferentially bind to ligands with phosphomimetic mutations at two distinct positions, and show that the equilibrium dissociation constant for Scribble PDZ1 with the C-terminal peptide of RPS6KA2 is enhanced over four-fold by phosphorylation. We elucidate the molecular determinants of phosphopeptide binding through NMR structure determination and mutational analysis. Finally, we discuss the role of Ser/Thr phosphorylation as a switching mechanism of PDZ domain interactions.