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 Whole genome and exome sequencing are reporting on hundreds of thousands of missense mutations. Taking a pan-disease approach, we explored how mutations in intrinsically disordered regions (IDRs) break or generate protein interactions mediated by short linear motifs. We created a peptide-phage display library tiling ~57,000 peptides from the IDRs of the human proteome overlapping 12,301 single nucleotide variants associated with diverse phenotypes including cancer, metabolic diseases and neurological diseases. By screening 80 human proteins, we identified 366 mutation-modulated interactions, with half of the mutations diminishing binding, and half enhancing binding or creating novel interaction interfaces. The effects of the mutations were confirmed by affinity measurements. In cellular assays, the effects of motif-disruptive mutations were validated, including loss of a nuclear localisation signal in the cell division control protein CDC45 by a mutation associated with Meier-Gorlin syndrome. The study provides insights into how disease-associated mutations may perturb and rewire the motif-based interactome.

Short linear motifs (SLiMs) drive dynamic protein-protein interactions essential for signaling, but sequence degeneracy and low binding affinities make them difficult to identify. We harnessed unbiased systematic approaches for SLiM discovery to elucidate the regulatory network of calcineurin (CN)/PP2B, the Ca2+-activated phosphatase that recognizes LxVP and PxIxIT motifs. In vitro proteome-wide detection of CN-binding peptides, in vivo SLiM-dependent proximity labeling, and in silico modeling of motif determinants uncovered unanticipated CN interactors, including NOTCH1, which we establish as a CN substrate. Unexpectedly, CN shows SLiM-dependent proximity to centrosomal and nuclear pore complex (NPC) proteins – structures where Ca2+ signaling is largely uncharacterized. CN dephosphorylates human and yeast NPC proteins and promotes accumulation of a nuclear transport reporter, suggesting conserved NPC regulation by CN. The CN network assembled here provides a resource to investigate Ca2+ and CN signaling and demonstrates synergy between experimental and computational methods, establishing a blueprint for examining SLiM-based networks.

The cell cycle governs a precise series of molecular events, regulated by coordinated changes in protein and phosphorylation abundance, that culminates in the generation of two daughter cells. Here, we present a proteomic and phosphoproteomic analysis of the human cell cycle in hTERT-RPE-1 cells using deep quantitative mass spectrometry by isobaric labelling. Through analysing non-transformed cells, and improving the temporal resolution and coverage of key cell cycle regulators, we present a dataset of cell cycle-dependent protein and phosphorylation site oscillation that offers a foundational reference for investigating cell cycle regulation. These data reveal uncharacterised regulatory intricacies including proteins and phosphorylation sites exhibiting previously unreported cell cycle-dependent oscillation, and novel proteins targeted for degradation during mitotic exit. Integrated with complementary resources, our data link cycle-dependent abundance dynamics to functional changes and are accessible through the Cell Cycle database (CCdb), an interactive web-based resource for the cell cycle community.

Whole genome and exome sequencing are reporting on hundreds of thousands of missense mutations. Taking a pan-disease approach, we explored how mutations in the intrinsically disordered regions (IDRs) break or generate short linear motifs. We created a peptide-phage display library tiling peptides overlapping 12,301 disease-associated mutations from the IDRs of the human proteome. The mutations are linked to diverse diseases including cancer, metabolic diseases and neurological diseases. By screening 80 human proteins we found 367 mutation-modulated interactions, with half of the mutations diminishing binding, and half enhancing or creating novel interaction interfaces. The effects of the mutations were confirmed by affinity measurements. In cellular assays, the effects of motif-disruptive mutations were validated, including loss of a nuclear localisation signal in the cell division control protein CDC45 by a mutation associated with Meier-Gorlin syndrome. The study provides a panoramic view of how disease-associated mutations perturb and rewire the motif-based interactome.