Data independent acquisition (DIA) mass spectrometry is a powerful technique that is improving the reproducibility and throughput of proteomics studies. Here, we introduce an experimental workflow that uses this technique to construct chromatogram libraries that capture fragment ion chromatographic peak shape and retention time for every detectable peptide in a proteomics experiment. These coordinates calibrate protein databases or spectrum libraries to a specific mass spectrometer and chromatography setup, facilitating DIA-only pipelines and the reuse of global resource libraries. We also present EncyclopeDIA, a software tool for generating and searching chromatogram libraries, and demonstrate the performance of our workflow by quantifying proteins in human and yeast cells. We find that by exploiting calibrated retention time and fragmentation specificity in chromatogram libraries, EncyclopeDIA can detect 20-25% more peptides from DIA experiments than with data dependent acquisition-based spectrum libraries alone.

Data independent acquisition (DIA) mass spectrometry is a powerful technique that is improving the reproducibility and throughput of proteomics studies. We introduce a new experimental workflow that uses this technique to construct chromatogram libraries that capture fragment ion chromatographic peak shape and retention time for every detectable peptide in an experiment. These coordinates calibrate information in spectrum libraries or protein databases to a specific mass spectrometer and chromatography setup, and enable sensitive peptide detection in quantitative experiments. We also present EncyclopeDIA, a software tool for generating and searching chromatogram libraries, and demonstrate the performance of our workflow by quantifying proteins in human and yeast cells. We find that by exploiting calibrated retention time and fragmentation specificity in chromatogram libraries, EncyclopeDIA can detect and quantify >50% more peptides from DIA experiments than with DDA- based spectrum libraries alone.

The coordinated regulation of protein kinases is a rapid mechanism that integrates diverse cues and swiftly determines appropriate cellular responses. However, our understanding of cellular decision-making has been limited by the small number of simultaneously monitored phospho-regulatory events. Here, we have estimated changes in activity in 215 human kinases in 399 conditions from a compilation of nearly 3 million phosphopeptide quantifications. This atlas identifies commonly regulated kinases as those that are central in the signaling network and defines the logic relationships between kinase pairs. Co-regulation along the conditions predicts kinase-complex and kinase-substrate associations. Additionally, the kinase regulation profile acts as a molecular fingerprint to identify related and opposing signaling states. Using this atlas, we identified essential mediators of stem cell differentiation, modulators of Salmonella infection and new targets of AKT1. This provides a global view of human phosphorylation-based signaling and the necessary context to better understand kinase driven decision-making.

Proteins can be phosphorylated at neighboring sites resulting in different functional states, and studying the regulation of these sites has been challenging. Here we present Thesaurus, a search engine that detects new positional isomers using site-specific fragment ions from parallel reaction monitoring and data independent acquisition mass spectrometry experiments. We apply Thesaurus to analyze phosphorylation events in the PI3K/AKT signaling pathway and show neighboring sites with distinct quantitative profiles, indicating regulation by different kinases.

Stimulating brown adipose tissue (BAT) energy expenditure could be a therapy for obesity and related metabolic diseases. Achieving this requires a systems-level understanding of the biochemical underpinnings of thermogenesis. To identify novel metabolic features of active BAT, we measured protein abundance, protein acetylation, and metabolite levels in BAT isolated from mice living in their thermoneutral zone or in colder environments. We find that the enzymes which synthesize lipids from cytosolic acetyl-coA are among the most robustly increased proteins after cold acclimation, consistent with recent studies highlighting the importance of anabolic de novo lipogenesis in BAT. In addition, many mitochondrial proteins are hyperacetylated by cold acclimation, including several sites on UCP1, which may have functional relevance. Metabolomics analysis further reveals cold-dependent increases to acetylated carnitine and several amino acids. This BAT multi-omics resource highlights widespread proteomic and metabolic changes linked to acetyl-CoA synthesis and utilization that may be useful in unraveling the remarkable metabolic properties of active BAT.