ABSTRACT Septins are a family of cytoskeletal proteins that regulate several important aspects of neuronal development. Septin 7 (Sept7) is enriched at the base of dendritic spines in excitatory neurons and mediates both spine formation and spine-synapse maturation. Phosphorylation at a conserved C-terminal tail residue of Sept7 mediates its translocation into the dendritic spine head to allow spine-synapse maturation. The mechanistic basis for postsynaptic stability and compartmentalization conferred by phosphorylated Sept7, however, is not known. We report herein the proteomic identification of Sept7 phosphorylation dependent neuronal interactors. Using Sept7 C-terminal phosphopeptide pulldown and biochemical assays, we show that the 14-3-3 family of proteins specifically interact with Sept7 when phosphorylated at the T426 residue. Biochemically, we validate the interaction between Sept7 and 14-3-3 isoform gamma, and show that 14-3-3 gamma is also enriched in mature dendritic spine head. Further, we demonstrate that interaction of phosphorylated Sept7 with 14-3-3 protects it from dephosphorylation, as expression of a 14-3-3 antagonist significantly decreases phosphorylated Sept7 in neurons. This study identifies 14-3-3 proteins as an important physiological regulator of Sept7 function in neuronal development.

The regulated release of peptide hormones depends on their packaging into dense-core vesicles (DCVs). Two models have been proposed for DCV cargo sorting. The “sorting by entry” model proposes that DCV cargos selectively enter nascent DCVs at the trans-Golgi network (TGN). The “sorting by exit” model proposes that sorting occurs by the post-TGN removal of non-DCV cargos and retention of mature DCV cargos. Here we show that the coiled-coil protein CCDC186 controls sorting by exit. Ccdc186 KO insulinoma cells secrete less insulin, fail to retain insulin and carboxypeptidase E in mature DCVs at the cell periphery, and fail to remove carboxypeptidase D from immature DCVs. A mutation affecting the endosome-associated recycling protein (EARP) complex causes similar defects in DCV cargo retention and removal. CCDC186 and EARP may act together to control the post-Golgi retention of cargos in mature DCVs.* DCV : dense-core vesicle TGN : trans-Golgi network EARP : endosome-associated recycling protein iDCV : immature dense-core vesicle CPE : carboxypeptidase E PC1/3 : proprotein convertase 1/3 CgA : chromogranin A MAO : monoamine oxidase CPD : carboxypeptidase D CD-MPR : cation-dependent mannose 6-phosphate receptor

Kinase-dependent signaling networks are frequently dysregulated in cancer, driving disease progression. While kinase inhibition has become an important therapeutic approach many cancers resist drug treatment. Therefore, we need both reliable biomarkers that predict drug responses and new targets to overcome drug resistance. Determining the kinase(s) that control cancer progression in individual cancers can pose a significant challenge. Genomics has identified important, yet limited numbers of kinase driver mutations. Transcriptomics can quantify aberrant gene expression, but it cannot measure the protein phosphorylation that regulates kinase-dependent signaling network activity. Proteomics measures protein expression and phosphorylation and, therefore, quantifies aberrant signaling network activity directly. We developed a kinome-centric pharmacoproteomics platform to study signaling pathways that determine cancer drug response. Using hepatocellular carcinoma (HCC) as our model, we determined kinome activity with kinobead/LC-MS profiling, and screened 299 kinase inhibitors for growth inhibition. Integrating kinome activity with drug responses, we obtained a comprehensive database of predictive biomarkers, and kinase targets that promote drug sensitivity and resistance. Our dataset specified pathway-based biomarkers for the clinical HCC drugs sorafenib, regorafenib and lenvatinib, and we found these biomarkers enriched in human HCC specimens. Strikingly, our database also revealed signaling pathways that promote HCC cell epithelial-mesenchymal transition (EMT) and drug resistance, and that NUAK1 and NUAK2 regulate these pathways. Inhibition of these kinases reversed the EMT and sensitized HCC cells to kinase inhibition. These results demonstrate that our kinome pharmacoproteomics platform discovers both predictive biomarkers for personalized oncology and novel cancer drug targets.

Abstract Mutations in the catalytic subunit of protein kinase A (PKAc) drive the stress hormone disorder adrenal Cushing’s syndrome. Here we define mechanisms of action for the PKAc-L205R and W196R variants. Both Cushing’s mutants are excluded from A kinase anchoring protein (AKAP) signaling islands and consequently diffuse throughout the cell. Kinase-dead experiments show that PKA activity is required for cortisol hypersecretion. However, kinase activation is not sufficient, as only cAMP analog drugs that displace native PKAc from AKAPs enhance cortisol release. Rescue experiments that incorporate mutant PKAc into AKAP signaling islands abolish cortisol overproduction, indicating that kinase anchoring restores normal endocrine function. Phosphoproteomics show that PKAc-L205R and W196R engage different mitogenic signaling pathways. ERK activity is elevated in adrenal-specific PKAc-W196R knock-in mice. Conversely, PKAc-L205R attenuates Hippo signaling, thereby upregulating the YAP/TAZ transcriptional co-activators. Thus, aberrant localization of each Cushing’s variant promotes the transmission of a distinct downstream pathogenic signal.

Abstract Recent advances in single-cell proteomics highlight the promise of sensitive analyses in limited cell populations. However, technical challenges remain for sample recovery, throughput, and versatility. Here, we first report a water droplet-in-oil digestion (WinO) method based on carboxyl-coated beads and phase transfer surfactants for proteomic analysis using limited sample amounts. This method was developed to minimize the contact area between the sample solution and the container to reduce the loss of proteins and peptides by adsorption. This method increased protein and peptide recovery 10-fold as well as the number of quantified transmembrane proteins compared to an in-solution digestion (ISD) method. The proteome profiles obtained from 100 cells using the WinO method highly correlated with those from 10000 cells using the ISD method. We successfully applied the WinO method to single-cell proteomics and quantified 462 proteins. Using the WinO method, samples can be easily prepared in a multi-well plate, making it a widely applicable and suitable method for single-cell proteomics.