The Toll/interleukin-1 receptor (TIR) domain occurs in animal and plant immune receptors. In the animal Toll-like receptors, homodimerization of the intracellular TIR domain is required for initiation of signaling cascades leading to innate immunity. By contrast, the role of the TIR domain in cytoplasmic nucleotide-binding/leucine-rich repeat (NB-LRR) plant immune resistance proteins is poorly understood. L6 is a TIR-NB-LRR resistance protein from flax (Linum usitatissimum) that confers resistance to the flax rust phytopathogenic fungus (Melampsora lini). We determine the crystal structure of the L6 TIR domain and show that, although dispensable for pathogenic effector protein recognition, the TIR domain alone is both necessary and sufficient for L6 immune signaling. We demonstrate that the L6 TIR domain self-associates, most likely forming a homodimer. Analysis of the structure combined with site-directed mutagenesis suggests that self-association is a requirement for immune signaling and reveals distinct surface regions involved in self-association, signaling, and autoregulation.

Prion-like domains (PLDs) are low complexity sequences found in RNA binding proteins associated with the neurodegenerative disorder amyotrophic lateral sclerosis. Recently, PLDs have been implicated in mediating gene regulation via liquid-phase transitions that drive ribonucleoprotein granule assembly. In this paper, we report many PLDs in proteins associated with paraspeckles, subnuclear bodies that form around long noncoding RNA. We mapped the interactome network of paraspeckle proteins, finding enrichment of PLDs. We show that one protein, RBM14, connects key paraspeckle subcomplexes via interactions mediated by its PLD. We further show that the RBM14 PLD, as well as the PLD of another essential paraspeckle protein, FUS, is required to rescue paraspeckle formation in cells in which their endogenous counterpart has been knocked down. Similar to FUS, the RBM14 PLD also forms hydrogels with amyloid-like properties. These results suggest a role for PLD-mediated liquid-phase transitions in paraspeckle formation, highlighting this nuclear body as an excellent model system for understanding the perturbation of such processes in neurodegeneration.

Summary Aberrant phase separation of globular proteins is associated with many diseases. Here, we use a model protein system to understand how unfolded states of globular proteins drive phase separation and the formation of unfolded protein deposits (UPODs). For UPODs to form, the concentrations of unfolded molecules must be above a threshold value. Additionally, unfolded molecules must possess appropriate sequence grammars to drive phase separation. While UPODs recruit molecular chaperones, their compositional profiles are also influenced by synergistic physicochemical interactions governed by the sequence grammars of unfolded proteins and sequence features of cellular proteins. Overall, we find that the driving forces for phase separation and the compositional profiles of UPODs are governed by the sequence grammar of unfolded proteins. Our studies highlight the need for uncovering the sequence grammars of unfolded proteins that drive UPOD formation and lead to gain-of-function interactions whereby proteins are aberrantly recruited into UPODs. Highlights Unfolded states of globular proteins phase separate to form UPODs in cells The fraction of unfolded molecules and the sticker grammar govern phase separation Hydrophobic residues act as stickers that engage in intermolecular interactions Sticker grammar also influences gain-of-function recruitment into aberrant UPODs

ABSTRACT Hexanucleotide expansion mutations in C9ORF72 are a cause of familial amyotrophic lateral sclerosis. We previously reported that long arginine-rich dipeptide repeats (DPR), mimicking abnormal proteins expressed from the hexanucleotide expansion, caused translation stalling when expressed in cell culture models. Whether this stalling provides a mechanism of pathogenicity remains to be determined. Here we explored the molecular features of DPR-induced stalling and examined whether known regulatory mechanisms of ribosome quality control (RQC) are involved to sense and resolve the stalls. We demonstrate that arginine-containing DPRs lead to stalling in a length dependent manner, with lengths longer than 40 repeats invoking severe translation arrest. Mutational screening of 40×Gly-Xxx DPRs shows that stalling is most pronounced where Xxx are positively charged amino acids (Arg or Lys). Through a genome-wide knockout screen we find that genes regulating stalling on polyadenosine mRNA coding for poly-Lys, a canonical RQC substrate, respond differently to the readthrough of arginine-rich DPRs. Indeed, we find evidence that DPR-mediated stalling has no natural regulatory responses even though the stalls may be sensed, as evidenced by an upregulation of RQC gene expression. These findings therefore implicate arginine-rich DPR-mediated stalled ribosomes as posing a particular danger to cellular health and viability.

Abstract The collapse of protein homeostasis manifests itself in a toxic protein aggregation cascade, which is associated with degenerative diseases and aging. To solubilize aggregates, dedicated protein disaggregases exist in unicellular organisms, but these have no nuclear/cytosolic orthologs in metazoa. Alternative metazoan disaggregation machines have been described, but how these are operated and regulated in vivo remained unknown. We show that protein disaggregases are functionally diversified in human cells to efficiently target different types of stress-induced aggregates in sequential and temporally distinct phases. In particular, we show the selective assembly of an Hsp70-DNAJA1-DNAJB1 trimeric disaggregase that forms during late phase of stress recovery., i.e. , after VCP-dependent solubilization of non-native proteins that accumulate in cellular condensates such as nucleoli or stress granules. When activated, the trimeric disaggregase provides resistance to stress toxicity and contributes to amyloid disposal. Strikingly, this disaggregase collapses early in cells undergoing replicative aging with important underlining pathophysiological consequences.

Abstract An extensive network of chaperones and other proteins maintain protein homeostasis and guard against inappropriate protein aggregation that is a hallmark of neurodegenerative diseases. Using a fluorescence resonance energy-based biosensor that simultaneously reports on intact cellular chaperone holdase activity and detrimental aggregation propensity, we investigated the buffering capacity of the systems managing protein homeostasis in the nucleus of the human cell line HEK293 compared to the cytosol. We found that the nucleus showed lower net holdase activity and reduced capacity to suppress protein aggregation, suggesting that the nuclear quality control resources are less effective compared to those in the cytosol. Aggregation of mutant huntingtin exon 1 protein (Httex1) in the cytosol appeared to deplete cytosolic chaperone supply by depleting holdase activity. Unexpectedly, the same stress increased holdase activity in the nucleus suggesting that proteostasis stress can trigger a rebalance of chaperone supply in different subcellular compartments. Collectively the findings suggest the cytosol has more capacity to manage imbalances in proteome foldedness than the nucleus, but chaperone supply can be redirected into the nucleus under conditions of proteostasis stress caused by cytosolic protein aggregation.

ABSTRACT Kinetic mass spectrometry imaging (kMSI) integrates imaging-MS with stable isotope labelling to elucidate metabolic fluxes in a spatiotemporal manner. kMSI studies are hampered by high volumes of complex data and a lack of computational workflows for data analysis that additionally address replicated experiments. To meet these challenges, we developed KineticMSI, an open-source R-based tool for processing and analyzing kMSI datasets. KineticMSI includes statistical tools to quantify tracer incorporation across replicated treatment groups spatially in tissues. It allows users to make data-driven decisions by elucidating affected pathways associated with changes in metabolic turnover. We demonstrate a validation of our method by identifying metabolic changes in the hippocampus of a transgenic Huntington’s disease (HD) mouse model as compared to wild-type mice. We discovered significant changes in metabolism of neuronal cell body lipids (phosphatidylinositol and cardiolipins) in HD mice, previously masked by conventional statistical approaches that compare mean tracer incorporation across brain regions.

Abstract Methods that assay protein foldedness with proteomics have generated censuses of protein folding stabilities in biological milieu. Surprisingly, different censuses poorly correlate with each other. Here, we show that methods targeting foldedness through monitoring amino acid sidechain reactivity also detect changes in conformation and ligand binding. About one quarter of cysteine or methionine sidechains in proteins in mammalian cell lysate increase in reactivity upon chemical denaturant titration consistent with two-state unfolding. Paradoxically, up to one third decreased reactivity, which were enriched in proteins with functions relating to unfolded protein stress. One protein, chaperone HSPA8, displayed changes arising from ligand and cofactor binding. Unmasking this hidden information should improve efforts to understand both folding and the remodeling of protein function directly in complex biological settings. One Sentence Summary We show that proteome folding stability censuses are ill-defined because they earmark hidden information on conformation and ligand binding.

Abstract Accurate spatio-temporal organization of the proteome is essential for cellular homeostasis. However, a detailed mechanistic understanding of this organization and how it is altered in response to external stimuli in the intact cellular environment is as-yet unrealized. To address this need, ‘protein painting’ methods have emerged as a way to gain insight into the conformational status of proteins within cells at the proteome-wide scale. For example, tetraphenylethene maleimide (TPE-MI) has previously been used to quantify the engagement of quality control machinery with client proteins in cell lysates. Here, we showcase the ability of TPE-MI to additionally reveal proteome network remodeling in whole cells in response to a cohort of commonly used pharmacological stimuli of varying specificity. We report specific, albeit heterogeneous, responses to individual stimuli that coalesce on a conserved set of core cellular machineries. This work expands our understanding of proteome conformational remodeling in response to cellular stimuli, and provides a blueprint for assessing how these conformational changes may contribute to disorders characterized by proteostasis imbalance.

C9ORF72-associated Motor Neuron Disease patients feature abnormal expression of 5 dipeptide repeat (DPR) polymers. Here we used quantitative proteomics in a Neuro2a cell model to demonstrate that the valency of Arg in the most toxic DPRS, PR and GR, drives promiscuous binding to the proteome, compared to a relative sparse binding of the more inert AP and GA. Notable targets included ribosomal proteins, translation initiation factors and translation elongation factors. PR and GR comprising more than 10 repeats robustly stalled the ribosome suggesting high-valency Arg electrostatically jams the ribosome exit tunnel during synthesis. Poly-GR also bound to arginine methylases and induced hypomethylation of endogenous proteins, with a profound destabilization of the actin cytoskeleton. Our findings point to arginine in GR and PR polymers as multivalent toxins to translation as well as arginine methylation with concomitant downstream effects on widespread biological processes including ribosome biogenesis, mRNA splicing and cytoskeleton assembly.