Protein phosphorylation is a ubiquitous post-translational modification (PTM) that regulates all aspects of life. To date, investigation of human cell signalling has focussed on canonical phosphorylation of serine (Ser), threonine (Thr) and tyrosine (Tyr) residues. However, mounting evidence suggests that phosphorylation of histidine also plays a central role in regulating cell biology. Phosphoproteomics workflows rely on acidic conditions for phosphopeptide enrichment, which are incompatible with the analysis of acid-labile phosphorylation such as histidine. Consequently, the extent of non-canonical phosphorylation is likely to be under-estimated. We report an Unbiased Phosphopeptide enrichment strategy based on Strong Anion Exchange (SAX) chromatography (UPAX), which permits enrichment of acid-labile phosphopeptides for characterisation by mass spectrometry. Using this approach, we identify extensive and positional phosphorylation patterns on histidine, arginine, lysine, aspartate and glutamate in human cell extracts, including 310 phosphohistidine and >1000 phospholysine sites of protein modification. Remarkably, the extent of phosphorylation on individual non-canonical residues vastly exceeds that of basal phosphotyrosine. Our study reveals the previously unappreciated diversity of protein phosphorylation in human cells, and opens up avenues for exploring roles of acid-labile phosphorylation in any proteome using mass spectrometry.

ABSTRACT Polo-like kinase 4 (PLK4) is the master regulator of centriole duplication in metazoan organisms. Catalytic activity and protein turnover of PLK4 are tightly coupled in human cells, since changes in PLK4 concentration and catalysis have profound effects on centriole duplication and supernumerary centrosomes, which are associated with aneuploidy and cancer. Recently, PLK4 has been targeted with a variety of small molecule kinase inhibitors exemplified by centrinone, which rapidly induces inhibitory effects on PLK4 and leads to on-target centrosome depletion. Despite this, relatively few PLK4 substrates have been identified unequivocally in human cells, and PLK4 signaling outside centriolar networks remains poorly characterised. We report an unbiased mass spectrometry (MS)-based quantitative analysis of cellular protein phosphorylation in stable PLK4-expressing U2OS human cells exposed to centrinone. PLK4 phosphorylation was itself sensitive to brief exposure to the compound, resulting in PLK4 stabilization. Analysing asynchronous cell populations, we report hundreds of centrinone-regulated cellular phosphoproteins, including centrosomal and cell cycle proteins and a variety of likely ‘non-canonical’ substrates. Surprisingly, sequence interrogation of ~300 significantly down-regulated phosphoproteins reveals an extensive network of centrinone-sensitive [Ser/Thr]Pro phosphorylation sequence motifs, which based on our analysis might be either direct or indirect targets of PLK4. In addition, we confirm that NMYC and PTPN12 are PLK4 substrates, both in vitro and in human cells. Our findings suggest that PLK4 catalytic output directly controls the phosphorylation of a diverse set of cellular proteins, including Pro-directed targets that are likely to be important in PLK4-mediated cell signaling.

ABSTRACT Protein tyrosine sulfation (sY) is a post-translational modification (PTM) catalysed by Golgi-resident Tyrosyl Protein SulfoTransferases (TPSTs). Information on protein tyrosine sulfation is currently limited to ∼50 human proteins with only a handful having verified sites of sulfation. The contribution of this chemical moiety for the regulation of biological processes, both inside and outside the cell, remains poorly defined, in large part due to analytical limitations. Mass spectrometry-based proteomics is the method of choice for PTM analysis, but has yet to be applied for the systematic investigation and large-scale analysis of biomolecular sulfation (constituting the ‘sulfome’), primarily due to issues associated with discrimination of sY-from phosphotyrosine (pY)-containing peptides. In this study, we developed a mass spectrometry (MS)-based workflow centred on the characterization of sY-peptides, incorporating optimised Zr 4+ -IMAC and TiO 2 enrichment strategies. Extensive characterization of a panel of sY- and pY-peptides using an array of MS fragmentation regimes (CID, HCD, EThcC, ETciD, UVPD) highlights differences in the ability to generate site-determining product ions, which can be exploited to differentiate sulfated peptides from nominally isobaric phosphopeptides based on precursor ion neutral loss at low collision energy. Application of our analytical workflow to a HEK-293 cell extracellular secretome facilitated identification of 21 new sulfotyrosine-containing proteins, several of which we validate enzymatically using in vitro sulfation assays. This study demonstrates the applicability of our strategy for confident, high-throughput, ‘sulfomics’ studies, and reveals new sY interplay between enzymes relevant to both protein and glycan sulfation.

ABSTRACT Different types of DNA damage can initiate phosphorylation-mediated signalling cascades that result in stimulus specific pro- or anti-apoptotic cellular responses. Amongst its many roles, the NF-κB transcription factor RelA is central to these DNA damage response pathways. However, we still lack understanding of the co-ordinated signalling mechanisms that permit different DNA damaging agents to induce distinct cellular outcomes through RelA. Here, we use label-free quantitative phosphoproteomics to examine the temporal effects of exposure of U2OS cells to either etoposide (ETO) or hydroxyurea (HU) by monitoring the phosphorylation status of RelA and its protein binding partners. Although few stimulus-specific differences were identified in the constituents of phosphorylated RelA interactome after exposure to these DNA damaging agents, we observed subtle, but significant, changes in their phosphorylation states, as a function of both type and duration of treatment. The DNA double strand break (DSB)-inducing ETO invoked more rapid, sustained responses than HU, with regulated targets primarily involved in transcription, cell division and canonical DSB repair. Kinase substrate prediction of ETO-regulated phosphosites suggest abrogation of CDK1 and ERK1 signalling, in addition to the known induction of ATM/ATR. In contrast, HU-induced replicative stress mediated temporally dynamic regulation, with phosphorylated RelA binding partners having roles in rRNA/mRNA processing and translational initiation, many of which contained a 14-3-3ε binding motif, and were putative substrates of the dual specificity kinase CLK1. Our data thus point to differential regulation of key cellular processes and the involvement of distinct signalling pathways in modulating DNA damage-specific functions of RelA.