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 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 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.

Abstract Phosphorylation is an extensively studied post-translation modification that regulates protein function by promoting, inhibiting or modulating protein-protein interactions. Deciphering which of the hundreds of thousands of phosphosites in the proteome that regulate interactions remains challenging. We generated a proteomic peptide-phage display (ProP-PD) library to screen for phosphosites that regulate short linear motif-based interactions. The phage peptidome covers 13,500 phospho-serine/threonine sites found in the intrinsically disordered regions of the human proteome, each phosphosite being represented as a wildtype and a phosphomimetic variant. We screened 73 modular domains and identified 252 putative phospho-modulated interactions. Affinity measurements confirmed the phosphomodulation of 16 out of 21 tested interactions. We discovered a novel phospho-dependent interaction between clathrin and the mitotic spindle protein hepatoma-upregulated protein (HURP). We validated the phospho-dependent clathrin interaction in a cellular context and found it to be essential for the mitotic function of HURP. Structural characterisation elucidated the molecular basis for the phospho-dependency of the clathrin-HURP interaction. Collectively, our work showcases the power of phosphomimetic ProP-PD to discover novel phospho-modulated SLiM-based interactions required for cellular function.

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.

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.

Abstract Low affinity and transient protein-protein interactions, such as short linear motif (SLiM)-based interactions, require dedicated experimental tools for discovery and validation. Here, we evaluated and compared biotinylated peptide pulldown and protein interaction screen on peptide matrix (PRISMA) coupled to mass-spectrometry (MS) using a set of peptides containing interaction motifs. Eight different peptide sequences that engage in interactions with three distinct protein domains (KEAP1 Kelch, MDM2 SWIB, and TSG101 UEV) with a wide range of affinities were tested. We found that peptide pulldown can be an effective approach for SLiM validation, however, parameters such as protein abundance and competitive interactions can prevent the capture of known interactors. The use of tandem peptide repeats improved the capture and preservation of some interactions. When testing PRISMA, it failed to provide comparable results for a model peptide that successfully pulled down a known interactor using biotinylated peptide pulldown. Overall, in our hands, we find that albeit more laborious, biotin-peptide pulldown was more successful in terms of validation of known interactions. Our results highlight that the tested affinity-capture MS-based methods for validation of SLiM-based interactions from cell lysates are suboptimal, and we identified parameters for consideration for method development.

The notion that protein function is allosterically regulated by structural or dynamic changes in proteins has been extensively investigated in several protein domains in isolation. In particular, PDZ domains have represented a paradigm for these studies, despite providing conflicting results. Furthermore, it is still unknown how the association between protein domains in supramodules, consitituting so-called supertertiary structure, affects allosteric networks. Here, we experimentally mapped the allosteric network in a PDZ:ligand complex, both in isolation and in the context of a supramodular structure, and show that allosteric networks in a PDZ domain are highly dependent on the supertertiary structure in which they are present. This striking sensitivity of allosteric networks to presence of adjacent protein domains is likely a common property of supertertiary structures in proteins. Our findings have general implications for prediction of allosteric networks from primary and tertiary structure and for quantitative descriptions of allostery.