Abstract In the liver, mitochondria are exposed to different concentrations of nutrients due to their spatial positioning across the periportal (PP) and pericentral (PC) axis. How these mitochondria sense and integrate these signals to respond and maintain homeostasis is not known. Here, we combined intravital microscopy, spatial proteomics, and functional assessment to investigate mitochondrial heterogeneity in the context of liver zonation. We found that PP and PC mitochondria are morphologically and functionally distinct; beta-oxidation was elevated in PP regions, while lipid synthesis was predominant in the PC mitochondria. In addition, comparative phosphoproteomics revealed spatially distinct patterns of mitochondrial composition and potential regulation via phosphorylation. Acute pharmacological modulation of nutrient sensing through AMPK and mTOR shifted mitochondrial phenotypes in the PP and PC regions, linking nutrient gradients across the lobule and mitochondrial heterogeneity. This study highlights the role of protein phosphorylation in mitochondrial structure, function, and overall homeostasis in hepatic metabolic zonation. These findings have important implications for liver physiology and disease.

Abstract Lung cancer is the leading cause of cancer mortality worldwide. The treatment of lung cancer patients harboring mutant EGFR with orally administered EGFR TKIs has been a paradigm shift. Osimertinib and rociletinib are 3 rd generation irreversible EGFR TKIs targeting the EGFR T790M mutation. Osimertinib is the current standard care for patients with EGFR mutations due to increased efficacy, lower side effects, and enhanced brain penetrance. Unfortunately, all patients develop resistance. Genomic approaches have primarily been used to interrogate resistance mechanisms. Here, we have characterized the proteome and phosphoproteome of a series of isogenic EGFR mutant lung adenocarcinoma cell lines that are either sensitive or resistant to these drugs. To our knowledge, this is the most comprehensive proteomic dataset resource to date to investigate 3 rd generation EGFR TKI resistance in lung adenocarcinoma. We have interrogated this unbiased global quantitative mass spectrometry dataset to uncover alterations in signaling pathways, reveal a proteomic signature of epithelial mesenchymal transition (EMT) and identify kinases and phosphatases with altered expression and phosphorylation in TKI resistant cells. Decreased tyrosine phosphorylation of key sites in the phosphatase SHP2 suggests its inhibition resulting in inhibition of RAS/MAPK and activation of PI3K/AKT pathways. Furthermore, we performed anticorrelation analyses of this phosphoproteomic dataset with the published drug-induced P100 phosphoproteomic datasets from the Library of Integrated Network-Based Cellular Signatures (LINCS) program to predict drugs with the potential to overcome EGFR TKI resistance. We identified dactolisib, a PI3K/mTOR inhibitor, which in combination with osimertinib overcomes resistance both in vitro and in vivo . One Sentence Summary Global quantitative proteome and phosphoproteome analyses to examine altered signaling pathways in isogenic 3 rd generation EGFR TKI sensitive and resistant cells.

Abstract Immune checkpoint inhibitor and adoptive lymphocyte transfer-based therapies have shown great therapeutic potential for cancers with high tumor mutation burden (TMB). Here, we employed mass spectrometry (MS)-based proteogenomic large-scale profiling to identify potential immunogenic human leukocyte antigen (HLA) Class I-presented peptides in both melanoma, a “hot tumor” with high TMB, and EGFR mutant lung adenocarcinoma, a “cold tumor” with low TMB. We identified several classes of neopeptides, including mutated neoantigens and more than 1000 post-translationally modified peptides representing 58 different PTMs. We constructed a cancer germline (CG) antigen database with 285 antigens and identified 42 Class I-presented CG antigens. Finally, we developed a non-canonical peptide discovery pipeline to identify 44 lncRNA-derived peptides and validated Class I binding for select neopeptides. We provide direct evidence of HLA Class I presentation of a large number of neopeptides for potential vaccine or adoptive cell therapy in melanoma and mutant EGFR lung cancer.

Elucidation of the proteogenomic evolution of metastatic tumors may offer insight into the poor prognosis of patients harboring metastatic disease. We performed whole-exome and transcriptome sequencing, copy number alterations (CNA) and mass spectrometry-based quantitative proteomics of 37 lung adenocarcinoma (LUAD) and thymic carcinoma (TC) metastases obtained by rapid autopsy and found evidence of patient-specific, multi-dimensional heterogeneity. Extreme mutational heterogeneity was evident in a subset of patients whose tumors showed increased APOBEC-signature mutations and expression of APOBEC3 region transcripts compared to patients with lesser mutational heterogeneity. TP53 mutation status was associated with APOBEC hypermutators in our cohort and in three independent LUAD datasets. In a thymic carcinoma patient, extreme heterogeneity and increased APOBEC3AB expression was associated with a high-risk germline APOBEC3AB variant allele. Patients with CNA occurring late in tumor evolution had corresponding changes in gene expression and protein abundance indicating genomic instability as a mechanism of downstream transcriptomic and proteomic heterogeneity between metastases. Across all tumors, proteomic heterogeneity was greater than copy number and transcriptomic heterogeneity. Enrichment of interferon pathways was evident both in the transcriptome and proteome of the tumors enriched for APOBEC mutagenesis despite a heterogeneous immune microenvironment across metastases suggesting a role for the immune microenvironment in the expression of APOBEC transcripts and generation of mutational heterogeneity. The evolving, heterogeneous nature of LUAD and TC, through APOBEC-mutagenesis and CNA illustrate the challenges facing treatment outcomes.

Lung cancer is the leading cause of cancer death both in men and women. Tumor heterogeneity is an impediment to targeted treatment of all cancers, including lung cancer. Here, we sought to characterize changes in tumor proteome and phosphoproteome by longitudinal, prospective collection of tumor tissue of an exceptional responder lung adenocarcinoma patient who survived with metastatic lung adenocarcinoma for more than seven years with HER2-directed therapy in combination with chemotherapy. We employed Super-SILAC and TMT labeling strategies to quantify the proteome and phosphoproteome of a lung metastatic site and ten different metastatic progressive lymph nodes collected across a span of seven years, including five lymph nodes procured at autopsy. We identified specific signaling networks enriched in lung compared to the lymph node metastatic sites. We correlated the changes in protein abundance with changes in copy number alteration (CNA) and transcript expression. To further interrogate the mass spectrometry data, patient-specific database was built incorporating all the somatic variants identified by whole genome sequencing (WGS) of genomic DNA from the lung, one lymph node metastatic site and blood. An extensive validation pipeline was built for confirmation of variant peptides. We validated 360 spectra corresponding to 55 germline and 6 somatic variant peptides. Targeted MRM assays demonstrated expression of two novel variant somatic peptides, CDK12-G879V and FASN-R1439Q, with expression in lung and lymph node metastatic sites, respectively. CDK12-G879V mutation likely results in a nonfunctional CDK12 kinase and chemotherapy susceptibility in lung metastatic sites. Knockdown of CDK12 in lung adenocarcinoma cells results in increased chemotherapy sensitivity, explaining the complete resolution of the lung metastatic sites in this patient.

Abstract As important as the fasting response is for survival, an inability to shut it down once nutrients become available can lead to exacerbated disease and severe wasting. The liver is central to transitions between feeding and fasting states, with glucagon being a key initiator of the hepatic fasting response. However, the precise mechanisms controlling fasting are not well defined. One potential mediator of these transitions is Liver Kinase B1 (LKB1) given its role in nutrient sensing. Here, we show LKB1 knockout mice have a severe wasting and prolonged fasting phenotype despite increased food intake. By applying RNA sequencing and intravital microscopy we show that loss of LKB1 leads to a dramatic reprogramming of the hepatic lobule through robust upregulation of periportal genes and functions. This is likely mediated through the opposing effect LKB1 has on glucagon pathways and gene expression. Conclusion: our findings show that LKB1 acts as a brake to the glucagon-mediated fasting response resulting in “periportalization” of the hepatic lobule and whole-body metabolic inefficiency. These findings reveal a new mechanism by which hepatic metabolic compartmentalization is regulated by nutrient-sensing.