Francisella tularensis, the causative agent of tularemia, infects host macrophages, which triggers production of the proinflammatory cytokines interleukin 1beta (IL-1beta) and IL-18. We elucidate here how host macrophages recognize F. tularensis and elicit this proinflammatory response. Using mice deficient in the DNA-sensing inflammasome component AIM2, we demonstrate here that AIM2 is required for sensing F. tularensis. AIM2-deficient mice were extremely susceptible to F. tularensis infection, with greater mortality and bacterial burden than that of wild-type mice. Caspase-1 activation, IL-1beta secretion and cell death were absent in Aim2(-/-) macrophages in response to F. tularensis infection or the presence of cytoplasmic DNA. Our study identifies AIM2 as a crucial sensor of F. tularensis infection and provides genetic proof of its critical role in host innate immunity to intracellular pathogens.

The E6AP ubiquitin-protein ligase (E3) mediates the human papillomavirus-induced degradation of the p53 tumor suppressor in cervical cancer and is mutated in Angelman syndrome, a neurological disorder. The crystal structure of the catalytic hect domain of E6AP reveals a bilobal structure with a broad catalytic cleft at the junction of the two lobes. The cleft consists of conserved residues whose mutation interferes with ubiquitin-thioester bond formation and is the site of Angelman syndrome mutations. The crystal structure of the E6AP hect domain bound to the UbcH7 ubiquitin-conjugating enzyme (E2) reveals the determinants of E2-E3 specificity and provides insights into the transfer of ubiquitin from the E2 to the E3.

Expansion of the polyglutamine repeat within the protein Huntingtin (Htt) causes Huntington's disease, a neurodegenerative disease associated with aging and the accumulation of mutant Htt in diseased neurons. Understanding the mechanisms that influence Htt cellular degradation may target treatments designed to activate mutant Htt clearance pathways. We find that Htt is phosphorylated by the inflammatory kinase IKK, enhancing its normal clearance by the proteasome and lysosome. Phosphorylation of Htt regulates additional post-translational modifications, including Htt ubiquitination, SUMOylation, and acetylation, and increases Htt nuclear localization, cleavage, and clearance mediated by lysosomal-associated membrane protein 2A and Hsc70. We propose that IKK activates mutant Htt clearance until an age-related loss of proteasome/lysosome function promotes accumulation of toxic post-translationally modified mutant Htt. Thus, IKK activation may modulate mutant Htt neurotoxicity depending on the cell's ability to degrade the modified species.

Knowledge of elaborate structures of protein complexes is fundamental for understanding their functions and regulations. Although cross-linking coupled with mass spectrometry (MS) has been presented as a feasible strategy for structural elucidation of large multisubunit protein complexes, this method has proven challenging because of technical difficulties in unambiguous identification of cross-linked peptides and determination of cross-linked sites by MS analysis. In this work, we developed a novel cross-linking strategy using a newly designed MS-cleavable cross-linker, disuccinimidyl sulfoxide (DSSO). DSSO contains two symmetric collision-induced dissociation (CID)-cleavable sites that allow effective identification of DSSO-cross-linked peptides based on their distinct fragmentation patterns unique to cross-linking types (i.e. interlink, intralink, and dead end). The CID-induced separation of interlinked peptides in MS/MS permits MS(3) analysis of single peptide chain fragment ions with defined modifications (due to DSSO remnants) for easy interpretation and unambiguous identification using existing database searching tools. Integration of data analyses from three generated data sets (MS, MS/MS, and MS(3)) allows high confidence identification of DSSO cross-linked peptides. The efficacy of the newly developed DSSO-based cross-linking strategy was demonstrated using model peptides and proteins. In addition, this method was successfully used for structural characterization of the yeast 20 S proteasome complex. In total, 13 non-redundant interlinked peptides of the 20 S proteasome were identified, representing the first application of an MS-cleavable cross-linker for the characterization of a multisubunit protein complex. Given its effectiveness and simplicity, this cross-linking strategy can find a broad range of applications in elucidating the structural topology of proteins and protein complexes.

One of cannabis' most iconic effects is the stimulation of hedonic high-calorie eating—the "munchies"—yet habitual cannabis users are, on average, leaner than non-users. We asked whether this phenotype might result from lasting changes in energy balance established during adolescence, when use of the drug often begins. We found that daily low-dose administration of cannabis' intoxicating constituent, Δ9-tetrahydrocannabinol (THC), to adolescent male mice causes an adult metabolic phenotype characterized by reduced fat mass, increased lean mass and utilization of fat as fuel, partial resistance to diet-induced obesity and dyslipidemia, enhanced thermogenesis, and impaired cold- and β-adrenergic receptor-stimulated lipolysis. Further analyses revealed that this phenotype is associated with molecular anomalies in the adipose organ, including ectopic overexpression of muscle-associated proteins and heightened anabolic processing. Thus, adolescent exposure to THC may promote an enduring "pseudo-lean" state that superficially resembles healthy leanness but might in fact be rooted in adipose organ dysfunction.

Understanding the normal function of the Huntingtin (HTT) protein is of significance in the design and implementation of therapeutic strategies for Huntington’s disease (HD). Expansion of the CAG repeat in the HTT gene, encoding an expanded polyglutamine (polyQ) repeat within the HTT protein, causes HD and may compromise HTT’s normal activity contributing to HD pathology. Here, we investigated the previously defined role of HTT in autophagy specifically through studying HTT’s association with ubiquitin. We find that HTT interacts directly with ubiquitin in vitro. Tandem affinity purification was used to identify ubiquitinated and ubiquitin-associated proteins that copurify with a HTT N-terminal fragment under basal conditions. Copurification is enhanced by HTT polyQ expansion and reduced by mimicking HTT serine 421 phosphorylation. The identified HTT-interacting proteins include RNA-binding proteins (RBPs) involved in mRNA translation, proteins enriched in stress granules, the nuclear proteome, the defective ribosomal products (DRiPs) proteome and the brain-derived autophagosomal proteome. To determine whether the proteins interacting with HTT are autophagic targets, HTT knockout (KO) cells and immunoprecipitation of lysosomes were used to investigate autophagy in the absence of HTT. HTT KO was associated with reduced abundance of mitochondrial proteins in the lysosome, indicating a potential compromise in basal mitophagy, and increased lysosomal abundance of RBPs which may result from compensatory up-regulation of starvation-induced macroautophagy. We suggest HTT is critical for appropriate basal clearance of mitochondrial proteins and RBPs, hence reduced HTT proteostatic function with mutation may contribute to the neuropathology of HD.

ABSTRACT Safely expanding indications for cellular therapies has been challenging given a lack of highly cancer-specific surface markers. Here, we explore the hypothesis that tumor cells express cancer-specific surface protein conformations, invisible to standard target discovery pipelines evaluating gene or protein expression, that can be identified and immunotherapeutically targeted. We term this strategy, integrating cross-linking mass spectrometry (XL-MS) with glycoprotein surface capture, “structural surfaceomics”. As a proof of principle, we apply this technology to acute myeloid leukemia, a hematologic malignancy with dismal outcomes and no known optimal immunotherapy target. We identify the activated conformation of integrin-β2 as a structurally-defined, widely-expressed, AML-specific target. We develop and characterize recombinant antibodies to this protein conformation, and show that chimeric antigen receptor (CAR) T-cells eliminate AML cells and patient-derived xenografts without notable toxicity versus normal hematopoietic cells. Our findings validate an AML conformation-specific target antigen while demonstrating a toolkit for applying these strategies more broadly.

SUMMARY One of cannabis’ most iconic effects is the stimulation of hedonic high-calorie eating – the ‘munchies’ – yet habitual cannabis users are on average leaner than non-users. We asked whether this unexpected phenotype might result from lasting changes in energy balance established during adolescence, when habitual use of the drug often begins. We found that daily low-dose administration of cannabis’ intoxicating constituent, Δ 9 -tetrahydrocannabinol (THC), to adolescent mice causes an adult metabolic phenotype characterized by reduced fat mass, increased lean mass and utilization of fat as fuel, partial resistance to diet-induced obesity and dyslipidemia, and enhanced thermogenesis. Multi-omics analyses revealed that this phenotype is associated with multiple molecular anomalies in the adipose organ, which include ectopic overexpression of muscle-associated proteins and heightened anabolic processing. Thus, adolescent exposure to THC may promote an enduring ‘pseudo-lean’ state that superficially resembles healthy leanness but might in fact be rooted in adipose organ dysfunction.

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.