Eukaryotic cells replicate by a complex series of evolutionarily conserved events that are tightly regulated at defined stages of the cell division cycle. Progression through this cycle involves a large number of dedicated protein complexes and signaling pathways, and deregulation of this process is implicated in tumorigenesis. We applied high-resolution mass spectrometry-based proteomics to investigate the proteome and phosphoproteome of the human cell cycle on a global scale and quantified 6027 proteins and 20,443 unique phosphorylation sites and their dynamics. Co-regulated proteins and phosphorylation sites were grouped according to their cell cycle kinetics and compared to publicly available messenger RNA microarray data. Most detected phosphorylation sites and more than 20% of all quantified proteins showed substantial regulation, mainly in mitotic cells. Kinase-motif analysis revealed global activation during S phase of the DNA damage response network, which was mediated by phosphorylation by ATM or ATR or DNA-dependent protein kinases. We determined site-specific stoichiometry of more than 5000 sites and found that most of the up-regulated sites phosphorylated by cyclin-dependent kinase 1 (CDK1) or CDK2 were almost fully phosphorylated in mitotic cells. In particular, nuclear proteins and proteins involved in regulating metabolic processes have high phosphorylation site occupancy in mitosis. This suggests that these proteins may be inactivated by phosphorylation in mitotic cells.

Tet proteins oxidize 5-methylcytosine (mC) to generate 5-hydroxymethyl (hmC), 5-formyl (fC), and 5-carboxylcytosine (caC). The exact function of these oxidative cytosine bases remains elusive. We applied quantitative mass-spectrometry-based proteomics to identify readers for mC and hmC in mouse embryonic stem cells (mESC), neuronal progenitor cells (NPC), and adult mouse brain tissue. Readers for these modifications are only partially overlapping, and some readers, such as Rfx proteins, display strong specificity. Interactions are dynamic during differentiation, as for example evidenced by the mESC-specific binding of Klf4 to mC and the NPC-specific binding of Uhrf2 to hmC, suggesting specific biological roles for mC and hmC. Oxidized derivatives of mC recruit distinct transcription regulators as well as a large number of DNA repair proteins in mouse ES cells, implicating the DNA damage response as a major player in active DNA demethylation.

Trimethylation of histone H3 at lysine 4 (H3K4me3) is regarded as a hallmark of active human promoters, but it remains unclear how this posttranslational modification links to transcriptional activation. Using a stable isotope labeling by amino acids in cell culture (SILAC)-based proteomic screening we show that the basal transcription factor TFIID directly binds to the H3K4me3 mark via the plant homeodomain (PHD) finger of TAF3. Selective loss of H3K4me3 reduces transcription from and TFIID binding to a subset of promoters in vivo. Equilibrium binding assays and competition experiments show that the TAF3 PHD finger is highly selective for H3K4me3. In transient assays, TAF3 can act as a transcriptional coactivator in a PHD finger-dependent manner. Interestingly, asymmetric dimethylation of H3R2 selectively inhibits TFIID binding to H3K4me3, whereas acetylation of H3K9 and H3K14 potentiates TFIID interaction. Our experiments reveal crosstalk between histone modifications and the transcription factor TFIID. This has important implications for regulation of RNA polymerase II-mediated transcription in higher eukaryotes.

Trimethyl-lysine (me3) modifications on histones are the most stable epigenetic marks and they control chromatin-mediated regulation of gene expression. Here, we determine proteins that bind these marks by high-accuracy, quantitative mass spectrometry. These chromatin “readers” are assigned to complexes by interaction proteomics of full-length BAC-GFP-tagged proteins. ChIP-Seq profiling identifies their genomic binding sites, revealing functional properties. Among the main findings, the human SAGA complex binds to H3K4me3 via a double Tudor-domain in the C terminus of Sgf29, and the PWWP domain is identified as a putative H3K36me3 binding motif. The ORC complex, including LRWD1, binds to the three most prominent transcriptional repressive lysine methylation sites. Our data reveal a highly adapted interplay between chromatin marks and their associated protein complexes. Reading specific trimethyl-lysine sites by specialized complexes appears to be a widespread mechanism to mediate gene expression.

Summary

 Modifications on histones or on DNA recruit proteins that regulate chromatin function. Here, we use nucleosomes methylated on DNA and on histone H3 in an affinity assay, in conjunction with a SILAC-based proteomic analysis, to identify "crosstalk" between these two distinct classes of modification. Our analysis reveals proteins whose binding to nucleosomes is regulated by methylation of CpGs, H3K4, H3K9, and H3K27 or a combination thereof. We identify the origin recognition complex (ORC), including LRWD1 as a subunit, to be a methylation-sensitive nucleosome interactor that is recruited cooperatively by DNA and histone methylation. Other interactors, such as the lysine demethylase Fbxl11/KDM2A, recognize nucleosomes methylated on histones, but their recruitment is disrupted by DNA methylation. These data establish SILAC nucleosome affinity purifications (SNAP) as a tool for studying the dynamics between different chromatin modifications and provide a modification binding "profile" for proteins regulated by DNA and histone methylation.

This protocol describes the chemical synthesis of different nonhydrolyzable diubiquitin linkages and their use in affinity purification and LC–MS/MS identification of linkage-selective diubiquitin interactors. Ubiquitin-binding proteins play an important role in eukaryotes by translating differently linked polyubiquitin chains into proper cellular responses. Current knowledge about ubiquitin-binding proteins and ubiquitin linkage-selective interactions is mostly based on case-by-case studies. We have recently reported a method called ubiquitin interactor affinity enrichment–mass spectrometry (UbIA-MS), which enables comprehensive identification of ubiquitin interactors for all ubiquitin linkages from crude cell lysates. One major strength of UbIA-MS is the fact that ubiquitin interactors are enriched from crude cell lysates, in which proteins are present at endogenous levels, contain biologically relevant post-translational modifications (PTMs) and are assembled in native protein complexes. In addition, UbIA-MS uses chemically synthesized nonhydrolyzable diubiquitin, which mimics native diubiquitin and is inert to cleavage by endogenous deubiquitinases (DUBs). Here, we present a detailed protocol for UbIA-MS that proceeds in five stages: (i) chemical synthesis of ubiquitin precursors and click chemistry for the generation of biotinylated nonhydrolyzable diubiquitin baits, (ii) in vitro affinity purification of ubiquitin interactors, (iii) on-bead interactor digestion, (iv) liquid chromatography (LC)–MS/MS analysis and (v) data analysis to identify differentially enriched proteins. The computational analysis tools are freely available as an open-source R software package, including a graphical interface. Typically, UbIA-MS allows the identification of dozens to hundreds of ubiquitin interactors from any type of cell lysate, and can be used to study cell type or stimulus-dependent ubiquitin interactions. The nonhydrolyzable diubiquitin synthesis can be completed in 3 weeks, followed by ubiquitin interactor enrichment and identification, which can be completed within another 2 weeks.

A comprehensive proteomics screen for ‘reader’ proteins that recognize m6A-modified RNA reveals that the modification both promotes and prevents the binding of factors that control mRNA homeostasis in mammalian cells. RNA modifications are integral to the regulation of RNA metabolism. One abundant mRNA modification is N6-methyladenosine (m6A), which affects various aspects of RNA metabolism, including splicing, translation and degradation. Current knowledge about the proteins recruited to m6A to carry out these molecular processes is still limited. Here we describe comprehensive and systematic mass-spectrometry-based screening of m6A interactors in various cell types and sequence contexts. Among the main findings, we identified G3BP1 as a protein that is repelled by m6A and positively regulates mRNA stability in an m6A-regulated manner. Furthermore, we identified FMR1 as a sequence-context-dependent m6A reader, thus revealing a connection between an mRNA modification and an autism spectrum disorder. Collectively, our data represent a rich resource and shed further light on the complex interplay among m6A, m6A interactors and mRNA homeostasis.

Dosage compensation in Drosophila is dependent on MSL proteins and involves hypertranscription of the male X chromosome, which ensures equal X-linked gene expression in both sexes. Here, we report the purification of enzymatically active MSL complexes from Drosophila embryos, Schneider cells, and human HeLa cells. We find a stable association of the histone H4 lysine 16-specific acetyltransferase MOF with the RNA/protein containing MSL complex as well as with an evolutionary conserved complex. We show that the MSL complex interacts with several components of the nuclear pore, in particular Mtor/TPR and Nup153. Strikingly, knockdown of Mtor or Nup153 results in loss of the typical MSL X-chromosomal staining and dosage compensation in Drosophila male cells but not in female cells. These results reveal an unexpected physical and functional connection between nuclear pore components and chromatin regulation through MSL proteins, highlighting the role of nucleoporins in gene regulation in higher eukaryotes.

SMYD3 is a methyltransferase overexpressed in several human tumours; here methylation of the MAP3K2 kinase by SMYD3 is shown to be critical for Ras-induced tumour development in mouse models and human tumour cells, showing an unexpected role for methylation in a kinase signalling pathway and revealing a candidate therapeutic target. SMYD3 is a largely cytoplasmic lysine methyltransferase that is overexpressed in several human tumours. This paper reports that SMYD3 is required for Ras-induced tumour development in mouse models. The enzyme methylates MAP3K2, which inhibits binding of a phosphatase and potentiates the Ras/Raf signalling pathway. These results reveal an unexpected role for lysine methylation in a kinase signalling pathway and establish SMYD3 as a potential therapeutic target. Deregulation of lysine methylation signalling has emerged as a common aetiological factor in cancer pathogenesis, with inhibitors of several histone lysine methyltransferases (KMTs) being developed as chemotherapeutics1. The largely cytoplasmic KMT SMYD3 (SET and MYND domain containing protein 3) is overexpressed in numerous human tumours2,3,4. However, the molecular mechanism by which SMYD3 regulates cancer pathways and its relationship to tumorigenesis in vivo are largely unknown. Here we show that methylation of MAP3K2 by SMYD3 increases MAP kinase signalling and promotes the formation of Ras-driven carcinomas. Using mouse models for pancreatic ductal adenocarcinoma and lung adenocarcinoma, we found that abrogating SMYD3 catalytic activity inhibits tumour development in response to oncogenic Ras. We used protein array technology to identify the MAP3K2 kinase as a target of SMYD3. In cancer cell lines, SMYD3-mediated methylation of MAP3K2 at lysine 260 potentiates activation of the Ras/Raf/MEK/ERK signalling module and SMYD3 depletion synergizes with a MEK inhibitor to block Ras-driven tumorigenesis. Finally, the PP2A phosphatase complex, a key negative regulator of the MAP kinase pathway, binds to MAP3K2 and this interaction is blocked by methylation. Together, our results elucidate a new role for lysine methylation in integrating cytoplasmic kinase-signalling cascades and establish a pivotal role for SMYD3 in the regulation of oncogenic Ras signalling.