Iron must cross biological membranes to reach essential intracellular enzymes. Two proteins in the plasma membrane of yeast--a multicopper oxidase, encoded by the FET3 gene, and a permease, encoded by the FTR1 gene--were shown to mediate high-affinity iron uptake. FET3 expression was required for FTR1 protein to be transported to the plasma membrane. FTR1 expression was required for apo-FET3 protein to be loaded with copper and thus acquire oxidase activity. FTR1 protein also played a direct role in iron transport. Mutations in a conserved sequence motif of FTR1 specifically blocked iron transport.

The CCC2 gene of the yeast Saccharomyces cerevisiae is homologous to the human genes defective in Wilson disease and Menkes disease. A biochemical hallmark of these diseases is a deficiency of copper in ceruloplasmin and other copper proteins found in extracytosolic compartments. Here we demonstrate that disruption of the yeast CCC2 gene results in defects in respiration and iron uptake. These defects could be reversed by supplementing cells with copper, suggesting that CCC2 mutant cells were copper deficient. However, cytosolic copper levels and copper uptake were normal. Instead, CCC2 mutant cells lacked a copper-dependent oxidase activity associated with the extracytosolic domain of the FET3-encoded protein, a ceruloplasmin homologue previously shown to be necessary for high-affinity iron uptake in yeast. Copper restored oxidase activity both in vitro and in vivo, paralleling the ability of copper to restore respiration and iron uptake. These results suggest that the CCC2-encoded protein is required for the export of copper from the cytosol into an extracytosolic compartment, supporting the proposal that intracellular copper transport is impaired in Wilson disease and Menkes disease.

Abstract Pulmonary arterial hypertension (PAH) remains an incurable and often fatal disease despite currently available therapies. Multiomics systems biology analysis can shed new light on PAH pathobiology and inform translational research efforts. Using RNA sequencing on the largest PAH lung biobank to date (96 disease and 52 control), we aim to identify gene co-expression network modules associated with PAH and potential therapeutic targets. Co-expression network analysis was performed to identify modules of co-expressed genes which were then assessed for and prioritized by importance in PAH, regulatory role, and therapeutic potential via integration with clinicopathologic data, human genome-wide association studies (GWAS) of PAH, lung Bayesian regulatory networks, single-cell RNA-sequencing data, and pharmacotranscriptomic profiles. We identified a co-expression module of 266 genes, called the pink module, which may be a response to the underlying disease process to counteract disease progression in PAH. This module was associated not only with PAH severity such as increased PVR and intimal thickness, but also with compensated PAH such as lower number of hospitalizations, WHO functional class and NT-proBNP. GWAS integration demonstrated the pink module is enriched for PAH-associated genetic variation in multiple cohorts. Regulatory network analysis revealed that BMPR2 regulates the main target of FDA-approved riociguat, GUCY1A2, in the pink module. Analysis of pathway enrichment and pink hub genes (i.e. ANTXR1 and SFRP4) suggests the pink module inhibits Wnt signaling and epithelial-mesenchymal transition. Cell type deconvolution showed the pink module correlates with higher vascular cell fractions (i.e. myofibroblasts). A pharmacotranscriptomic screen discovered ubiquitin-specific peptidases (USPs) as potential therapeutic targets to mimic the pink module signature. Our multiomics integrative study uncovered a novel gene subnetwork associated with clinicopathologic severity, genetic risk, specific vascular cell types, and new therapeutic targets in PAH. Future studies are warranted to investigate the role and therapeutic potential of the pink module and targeting USPs in PAH.

BACKGROUND: Integrative multiomics can elucidate pulmonary arterial hypertension (PAH) pathobiology, but procuring human PAH lung samples is rare. METHODS: We leveraged transcriptomic profiling and deep phenotyping of the largest multicenter PAH lung biobank to date (96 disease and 52 control) by integration with clinicopathologic data, genome-wide association studies, Bayesian regulatory networks, single-cell transcriptomics, and pharmacotranscriptomics. RESULTS: We identified 2 potentially protective gene network modules associated with vascular cells, and we validated ASPN , coding for asporin, as a key hub gene that is upregulated as a compensatory response to counteract PAH. We found that asporin is upregulated in lungs and plasma of multiple independent PAH cohorts and correlates with reduced PAH severity. We show that asporin inhibits proliferation and transforming growth factor–β/phosphorylated SMAD2/3 signaling in pulmonary artery smooth muscle cells from PAH lungs. We demonstrate in Sugen-hypoxia rats that ASPN knockdown exacerbated PAH and recombinant asporin attenuated PAH. CONCLUSIONS: Our integrative systems biology approach to dissect the PAH lung transcriptome uncovered asporin as a novel protective target with therapeutic potential in PAH.

Introduction: Pulmonary arterial hypertension (PAH) is a progressive, lethal, and incurable disease of the pulmonary vasculature. Evolving evidence indicates that the ubiquitin-specific proteases (USPs), play an important role in the pathogenesis of PAH by deubiquitinating key proteins involved in cell proliferation, migration, and apoptosis. Our genome-wide association study (GWAS) analysis-paired with transcriptomic profiling indicated that deubiquitinase USP11 and histidine triad nucleotide binding protein 3 (HINT3) are positively correlated and that their expression increased in lungs of PAH patients compared to control (fail donor) group, and inversely correlated with survival. However, mechanisms and function of the USP11/HNT3 axis have not been explored in PAH. Therefore, we aimed to investigate that HINT3 stabilized by USP11 activation links to endothelial apoptosis-resistance in PAH. Methods and Results: Expression of USP11 and HINT3 was increased in the lungs of idiopathic PAH (IPAH) patients and Hypoxia/Sugen-treated mice using qRT-PCR and Western blot analyses. USP11 and HINT3 interacted physically as shown by co-immunoprecipitation (co-IP) assay in human pulmonary artery endothelial cells (HPAECs). HINT3 levels were decreased upon transfection of HA-tagged Ubi plasmid into HPAECs. Pretreatment with the potent proteasome inhibitor MG132 prolonged the half-life of HINT3 protein, indicating that HINT3 is degraded by polyubiquitination. HINT3 was stabilized and destabilized by forced overexpression or siRNA knockdown of USP11 respectively. Similarly, treatment with mitoxantrone, a USP11 antagonist, reduced HPAEC HINT3 expression. HINT3 interacted with the antiapoptotic mediator, BCL2. Overexpression of USP11 increased BCL2 content, congruent to elevated lung tissue levels seen in IPAH patients and Hypoxia/Sugen-treated mice. Conversely, knockdown of HINT3 function led to depletion of BCL2. Conclusions: The HINT3-USP11 axis contributes to apoptosis-resistance in pulmonary artery endothelial cells, as is potentially a novel and attractive therapeutic target for ubiquitination modulators.