ABSTRACT Polyphosphates (polyP) are chains of inorganic phosphates that can reach over 1000 residues in length. In Escherichia coli , polyP is produced by the polyP kinase (PPK) and is thought to play a protective role during the response to cellular stress. However, the molecular pathways impacted by PPK activity and polyP accumulation remain poorly characterized. In this work we used label-free mass spectrometry to study the response of bacteria that cannot produce polyP (Δ ppk ) during starvation to identify novel pathways regulated by PPK. In response to starvation, we found 92 proteins significantly differentially expressed between wild-type and Δ ppk mutant cells. Wild-type cells were enriched for proteins related to amino acid biosynthesis and transport, while Δppk mutants were enriched for proteins related to translation and ribosome biogenesis, suggesting that without PPK, cells remain inappropriately primed for growth even in the absence of required building blocks. From our dataset, we were particularly interested in Arn and EptA proteins, which were downregulated in Δ ppk mutants compared to wild-type controls, because they play a role in lipid A modifications linked to polymyxin resistance. Using western blotting, we confirm differential expression of these and related proteins, and provide evidence that this mis-regulation in Δ ppk cells stems from a failure to induce the BasS/BasR two-component system during starvation. We also show that Δ ppk mutants unable to upregulate Arn and EptA expression lack the respective L-Ara4N and pEtN modifications on lipid A. In line with this observation, loss of ppk restores polymyxin sensitivity in resistant strains carrying a constitutively active basR allele. Overall, we show a new role for PPK in lipid A modification during starvation and provide a rationale for targeting PPK to sensitize bacteria towards polymyxin treatment. We further anticipate that our proteomics work will provide an important resource for researchers interested in the diverse pathways impacted by PPK.

Abstract Polyphosphates (PolyP) are composed of long chains of inorganic phosphates linked together by phosphoanhydride bonds. They are found in all kingdoms of life, playing roles in cell growth, infection, and blood coagulation. A resurgence in interest in polyP has shown links to diverse aspects of human disease. However, unlike in bacteria and lower eukaryotes, the mammalian enzymes responsible for polyP metabolism are not known. Many studies have resorted to adding polyP to cell culture media, but it is not clear if externally applied polyP enters the cell to impact signaling events or whether their effect is mediated exclusively by extracellular receptors. For the first time, we use RNA-seq and mass spectrometry to define a broad impact of polyP produced inside of mammalian cells via ectopic expression of the E. coli polyP synthetase Ppk1. RNA-seq demonstrates that Ppk1 expression impacts expression of over 350 genes enriched for processes related to transcription and cell motility. Analysis of proteins via label-free mass spectrometry identified over 100 changes with functional enrichment in cell migration. Follow up work suggests a role for internally-synthesized polyP in promoting activation of mTOR and ERK1/2-EGR1 signaling pathways implicated in cell growth and stress. Finally, fractionation analysis shows that polyP accumulated in multiple cellular compartments and was associated with the relocalization several nuclear/cytoskeleton proteins, including chromatin bound proteins DEK, TAF10, GTF2I and translation initiation factor eIF5b. Our work is the first to demonstrate that internally produced polyP can activate diverse signaling pathways in human cells. Significance Statement For many years following its discovery in 1890, polyphosphates (polyP) were dismissed as evolutionary fossils. Best understood for its role in bacteria and yeast, our understanding of polyP in mammals remains rudimentary because the enzymes that synthesize and degrade polyP in mammalian systems are currently unknown. In our work, we carried out large-scale transcriptome and proteome approaches on human cells designed to accumulate internally produced polyP via ectopic expression of a bacterial polyP synthetase. Our work is the first to systematically assess the impact of increased intracellular polyP.

ABSTRACT In diverse cells from bacterial to mammalian species, inorganic phosphate is stored in long chains called polyphosphates (polyP). These near universal polymers, ranging from 3 to thousands of phosphate moieties in length, are associated with molecular functions including energy homeostasis, protein folding, and cell signaling. In many cell types, polyphosphate is concentrated in subcellular compartments or organelles. In the budding yeast S. cerevisiae, polyP synthesis by the membrane-bound VTC complex is coupled to its translocation into the lumen of the vacuole, a lysosome-related organelle, where it is stored at high concentrations. In contrast, ectopic expression of bacterial polyphosphate kinase, PPK, results in the toxic accumulation of polyP outside of the vacuole. In this study, we used label-free mass spectrometry to investigate the mechanisms underlying this toxicity. We find that PPK expression results in the activation of a stress response mediated in part by the Hog1 and Yak1 kinases, and Msn2/Msn4 transcription factors. This response is countered by the combined action of the Ddp1 and Ppx1 polyphosphatases that function together to counter polyP accumulation and downstream toxicity. In contrast, ectopic expression of previously proposed mammalian polyphosphatases did not impact PPK-mediated toxicity in this model, suggesting either that these enzymes do not function directly as polyphosphatases in vivo or that they require co-factors unique to higher eukaryotes. Our work provides a mechanistic explanation for why polyP accumulation outside of lysosome-related organelles is toxic. Further, it serves as a resource for exploring how polyP may impact conserved biological processes at a molecular level.

Abstract While the COVID-19 pandemic is causing important loss of life, knowledge of the effects of the causative SARS-CoV-2 virus on human cells is currently limited. Investigating protein-protein interactions (PPIs) between viral and host proteins can provide a better understanding of the mechanisms exploited by the virus and enable the identification of potential drug targets. We therefore performed an in-depth computational analysis of the interactome of SARS-CoV-2 and human proteins in infected HEK293 cells published by Gordon et al. to reveal processes that are potentially affected by the virus and putative protein binding sites. Specifically, we performed a set of network-based functional and sequence motif enrichment analyses on SARS-CoV-2-interacting human proteins and on a PPI network generated by supplementing viral-host PPIs with known interactions. Using a novel implementation of our GoNet algorithm, we identified 329 Gene Ontology terms for which the SARS-CoV-2-interacting human proteins are significantly clustered in the network. Furthermore, we present a novel protein sequence motif discovery approach, LESMoN-Pro, that identified 9 amino acid motifs for which the associated proteins are clustered in the network. Together, these results provide insights into the processes and sequence motifs that are putatively implicated in SARS-CoV-2 infection and could lead to potential therapeutic targets.