Protein degradation in eukaryotic cells is mainly carried out by the 26S proteasome, a macromolecular complex not only present in the cytosol and nucleus but also associated with various membranes. How proteasomes are anchored to the membrane and the biological meaning thereof have been largely unknown in higher organisms. Here we show that N-myristoylation of the Rpt2 subunit is a general mechanism for proteasome-membrane interaction. Loss of this modification in the Rpt2-G2A mutant cells leads to profound changes in the membrane-associated proteome, perturbs the endomembrane system and undermines critical cellular processes such as cell adhesion, endoplasmic reticulum-associated degradation (ERAD) and membrane protein trafficking. Rpt2 G2A/G2A homozygous mutation is embryonic lethal in mice and is sufficient to abolish tumor growth in a nude mice xenograft model. These findings have defined an evolutionarily conserved mechanism for maintaining membrane protein homeostasis and underscored the significance of compartmentalized protein degradation by m yristoyl- a nchored p roteasomes (MAPs) in health and disease.

Summary Various hormones, kinases, and stressors (fasting, heat shock) stimulate 26S proteasome activity. To understand how its capacity to degrade ubiquitylated protein can increase, we studied ZFAND5, which promotes protein degradation during muscle atrophy. Cryo-electron microscopy showed that ZFAND5 induces large conformational changes in the 19S regulatory particle. ZFAND5’s AN1 Zn finger interacts with the Rpt5 ATPase and its C-terminus with Rpt1 ATPase and Rpn1, a ubiquitin-binding subunit. Surprisingly, these C-terminal interactions are sufficient to activate proteolysis. With ZFAND5 bound, entry into the proteasome’s protein translocation channel is wider, and ZFAND5 dissociation causes opening of the 20S gate for substrate entry. Using single-molecular microscopy, we showed that ZFAND5 binds ubiquitylated substrates, prolongs their association with proteasomes, and increases the likelihood that bound substrates undergo degradation, even though ZFAND5 dissociates before substrate deubiquitylation. These changes in proteasome conformation and reaction cycle can explain the accelerated degradation and suggest how other proteasome activators may stimulate proteolysis.

Elucidating the spatial relationships within the protein interactome is pivotal to understanding the organization and regulation of protein-protein interactions. However, capturing the 3D architecture of the interactome presents a dual challenge: precise interactome labeling and super-resolution imaging. To bridge this gap, we present the Proximity Labeling Expansion Microscopy (PL-ExM). This innovation combines proximity labeling (PL) to spatially biotinylate interacting proteins with expansion microscopy (ExM) to increase imaging resolution by physically enlarging cells. PL-ExM unveils intricate details of the 3D interactome9s spatial layout in cells using standard microscopes, including confocal and Airyscan. Multiplexing PL-ExM imaging was achieved by pairing the PL with immunofluorescence staining. These multicolor images directly visualize how interactome structures position specific proteins in the protein-protein interaction network. Furthermore, PL-ExM stands out as an assessment method to gauge the labeling radius and efficiency of different PL techniques. The accuracy of PL-ExM is validated by our proteomic results from PL mass spectrometry. Thus, PL-ExM is an accessible solution for 3D mapping of the interactome structure and an accurate tool to access PL quality.

Urine is a promising biomarker source for clinical proteomics studies. Although regional physiological differences are common in multi-center clinical studies, the presence of significant differences in the urinary proteomes of individuals from different regions remains unknown. In this study, morning urine samples were collected from healthy urban residents in three regions of China and urinary proteins were preserved using a membrane-based method (Urimem). The urine proteomes of 27 normal samples were analyzed using LC-MS/MS and compared among the three regions. We identified 1,898 proteins from Urimem samples using label-free proteome quantification, of which 62 urine proteins were differentially expressed among the three regions. Hierarchical clustering analysis showed that inter-regional differences caused less significant changes in the urine proteome than inter-sex differences. Of the 62 differentially expressed proteins, 10 have been reported to be disease biomarkers in previous clinical studies. Urimem facilitates urinary protein storage for large-scale urine sample collection, and thus accelerates biobank development and urine biomarker studies employing proteomics approaches. Regional differences are a confounding factor influencing the urine proteome and should be considered in future multi-center biomarker studies.

Three-dimensional genome organization plays an important role in many biological processes. Yet, how the genome is packaged at the molecular level during mammalian spermatogenesis remains unclear. Here, we performed Hi-C in seven sequential stages during mouse spermatogenesis. We found that topological associating domains (TADs) and chromatin loops underwent highly dynamic reorganization. They displayed clear existence in primitive type A spermatogonia, disappearance at pachytene stage, and reestablishment in spermatozoa. Surprisingly, even in the absence of TADs and chromatin loops at pachytene stage, CTCF remained bound at TAD boundary regions (identified in primitive type A spermatogonia). Additionally, many enhancers and promoters exhibited features of open chromatin and transcription remained active at pachytene stage. A/B compartmentalization and segmentation ratio were conserved in different stages of spermatogenesis in autosomes, although there were A/B compartment switching events correlated with gene activity changes. Intriguingly, A/B compartment structure on the X chromosome disappeared during pacSC, rST and eST stages. Together, our work uncovered a dynamic three-dimensional chromatin organization during mouse spermatogenesis and suggested that transcriptional regulation could be independent of TADs and chromatin loops at specific developmental stages.

Abstract Reversible phosphorylation has emerged as an important mechanism for regulating 26S proteasome function in health and disease. Over 100 phospho-tyrosine (pTyr) sites of the human proteasome have been detected, and yet their function and regulation remain poorly understood. Here we show that the 19S subunit Rpt2 is phosphorylated at Tyr439, a strictly conserved residue within the C-terminal HbYX motif of Rpt2 that is essential for 26S proteasome assembly. Unexpectedly, we found that Y439 phosphorylation depends on Rpt2 membrane localization mediated by its N-myristoylation. Multiple receptor tyrosine kinases (RTKs) can trigger Rpt2-Y439 phosphorylation by activating Src, a N-myristoylated tyrosine kinase. Src directly phosphorylates Rpt2-Y439 in vitro and negatively regulates 26S proteasome integrity and activity at cellular membranes, which can be reversed by the membrane-associated isoform of protein tyrosine phosphatase non-receptor type 2 (PTPN2). In H1975 lung cancer cells with activated Src, blocking Rpt2-Y439 phosphorylation by the Y439F mutation conferred partial resistance to the Src inhibitor saracatinib both in vitro and in a mouse xenograft tumor model, and caused significant changes of cellular responses to saracatinib at the proteome level. Our study has defined a novel mechanism involved in the spatial regulation of proteasome function and provided new insights into tyrosine kinase inhibitor-based anti-cancer therapies.