Summary Endolysosomes (EL) are known for their role in regulating both intracellular trafficking and proteostasis. EL help facilitate elimination of damaged membrane and cytosolic proteins, protein aggregates, membranous organelles and also play an important role in calcium signalling. Despite the importance of EL, their specific role in cardiovascular disease is not well understood. In particular, it’s unclear how EL contribute to atrial pathology over longer time frames. To shed light on this question, we conducted a comprehensive analysis that involved proteomics, transcriptomics, integrated analysis, electron tomography, western blotting, and enzyme assays. To identify the role of EL in atrial fibrillation (AF), we applied a recently published organelle protein isolation method. We used this method to study biopsies from AF goat model and analyse the EL-specific proteins and pathways involved in this condition. Our results revealed the upregulation of the AMPK pathway and the expression of EL-specific proteins that were not found in whole tissue lysates (TL), including GAA, DYNLRB1, CLTB, SIRT3, CCT2, and muscle-specific HSPB2. We also observed structural anomalies, such as autophago-vacuole formation, irregularly shaped mitochondria, and glycogen deposition, which provide insights into the EL’s contribution to AF and related pathways and molecular mechanisms. Overall, our findings suggest that EL play an important role in the development of AF over longer time frames, and provide a more detailed understanding of the underlying molecular processes involved.

Abstract The spatial organisation of cellular protein expression profiles within tissue determines cellular function and is key to understanding disease pathology. To define molecular phenotypes in the spatial context of tissue, there is a need for unbiased, quantitative technology capable of mapping proteomes within tissue structures. Here, we present a workflow for spatially-resolved, quantitative proteomics of tissue that generates maps of protein abundance across tissue slices derived from a human atypical teratoid-rhabdoid tumour (AT/RT). We employ spatially-aware algorithms that do not require prior knowledge of the fine tissue structure to detect proteins and pathways with spatial abundance patterns. We identified PYGL, ASPH and CD45 as spatial markers for tumour boundary and reveal immune response-driven, spatially-organised protein networks of the extracellular tumour matrix. Overall, this work informs on methods for spatially resolved deep proteo-phenotyping of tissue heterogeneity, to push the boundaries of understanding tissue biology and pathology at the molecular level.

Seminal fluid contains some of the fastest evolving proteins currently known. These seminal fluid proteins (Sfps) play crucial roles in reproduction, such as supporting sperm function, and particularly in insects, modifying female physiology and behaviour. Identification of Sfps in small animals is challenging, and often relies on samples taken from the female reproductive tract after mating. A key pitfall of this method is that it might miss Sfps that are of low abundance due to dilution in the female derived sample or rapid processing in females. Here we present a new and complementary method, which provides added sensitivity to Sfp identification. We applied label-free quantitative proteomics to Drosophila melanogaster male reproductive tissue, where Sfps are unprocessed, and highly abundant, and quantified Sfps before and immediately after mating, to infer those transferred during copulation. We also analysed female reproductive tracts immediately before and after copulation to confirm the presence and abundance of known and candidate Sfps, where possible. Results were cross-referenced with transcriptomic and sequence databases to improve confidence in Sfp detection. Our data was consistent with 124 previously reported Sfps. We found 8 high confidence novel candidate Sfps, which were both depleted in mated versus unmated males and identified within the reproductive tract of mated but not virgin females. We also identified 31 more candidates that are likely Sfps based on their abundance, known expression and predicted characteristics, and revealed that four proteins previously identified as Sfps are at best minor contributors to the ejaculate. The estimated copy numbers for our candidate Sfps were lower than for previously identified Sfps, supporting the idea that our technique provides a deeper analysis of the Sfp proteome than previous studies. Our results demonstrate a novel, high sensitivity approach to the analysis of seminal fluid proteomes, whose application will further our understanding of reproductive biology.

Failure to make adaptive immune responses is a hallmark of aging. In particular reduced B cell function leads to poor vaccination efficacy and a high prevalence of infections in the elderly. However, the molecular mechanism underlying immune senescence is largely unknown. Here we show that autophagy levels are specifically reduced in mature lymphoid cells, leading to compromised memory B cell responses in old individuals. Spermidine, a naturally occurring polyamine metabolite, induces autophagy in vivo and rejuvenates memory B cell responses in an autophagy-dependent manner. Mechanistically, spermidine post-translationally modifies the translation factor eIF5A, which assists the synthesis of TFEB, a key transcription factor of autophagy. Spermidine is depleted in the elderly, leading to reduced TFEB expression and autophagy. Replenishing spermidine restored this pathway and improved the responses of old human B cells. Taken together, our results reveal an unexpected autophagy regulatory mechanism mediated by eIF5A at the translational level, and this pathway can be harnessed to rejuvenate immune senescence in humans.

Ubiquitin ligases (E3s) embedded in the endoplasmic reticulum (ER) membrane regulate essential cellular activities including protein quality control, calcium flux, and sterol homeostasis. At least 25 different, transmembrane domain (TMD)-containing E3s are predicted to be ER-localised, but for most their organisation and cellular roles remain poorly defined. Using a comparative proteomic workflow, we mapped over 450 protein-protein interactions for 21 different stably expressed, full-length E3s. Bioinformatic analysis linked ER-E3s and their interactors to multiple homeostatic, regulatory, and metabolic pathways. Among these were four membrane-embedded interactors of RNF26, a polytopic E3 whose abundance is auto-regulated by ubiquitin-proteasome dependent degradation. RNF26 co-assembles with TMEM43, ENDOD1, TMEM33 and TMED1 to form a complex capable of modulating innate immune signalling through the cGAS-STING pathway. This RNF26 complex represents a new modulatory axis of STING and innate immune signalling at the ER membrane. Collectively, these data reveal the broad scope of regulation and differential functionalities mediated by ER-E3s for both membrane-tethered and cytoplasmic processes.

Seminal fluid proteins (SFPs) exert potent effects on male and female fitness. Rapidly evolving and molecularly diverse, they derive from multiple male secretory cells and tissues. In Drosophila melanogaster, most SFPs are produced in the accessory glands, which are composed of ~1000 fertility-enhancing 'main cells' and ~40, more functionally cryptic, 'secondary cells'. Inhibition of BMP-signalling in secondary cells suppresses secretion, leading to a unique uncoupling of normal female post-mating responses to the ejaculate: refractoriness stimulation is impaired, but offspring production is not. Secondary cell secretions might therefore make a highly specific contribution to the seminal proteome and ejaculate function; alternatively, they might regulate more global - but hitherto-undiscovered - SFP functions and proteome composition. Here, we present data that supports the latter model. We show that in addition to previously reported phenotypes, secondary cell-specific BMP-signalling inhibition compromises sperm storage and increases female sperm use efficiency. It also impacts second male sperm, tending to slow entry into storage and delay ejection. First male paternity is enhanced, which suggests a novel constraint on ejaculate evolution whereby high female refractoriness and sperm competitiveness are mutually exclusive. Using quantitative proteomics, we reveal a mix of specific and widespread changes to the seminal proteome that surprisingly encompass alterations to main cell-derived proteins, indicating important cross-talk between classes of SFP-secreting cells. Our results demonstrate that ejaculate composition and function emerge from the integrated action of multiple secretory cell-types suggesting that modification to the cellular make-up of seminal fluid-producing tissues is an important factor in ejaculate evolution.

Background: Abdominal aortic aneurysms (AAA) are pathological dilatations of the aorta which can result in rupture and mortality. Novel methods of predicting AAA growth is a recognised priority in AAA research. Patient with AAAs have increased risk of cardiovascular morbidity. We have previously observed accelerated systemic endothelial dysfunction (measured by brachial artery FMD) in AAA patients and FMD correlates with future AAA growth. Further, systemic endothelial dysfunction is reversed by AAA repair. AAAs contain intra-luminal thrombus (ILT). Since ILT is either removed or excluded from circulation after successful repair of AAAs, we hypothesise that ILT to be the source of mediators that contribute to AAA growth. Methods: Patients were prospectively recruited to the Study (Ethics Ref SC/13/0250). Plasma samples were collected at baseline and at 1 year from each patient. Plasma samples were also collected before and at 10-12 weeks after surgery from each patient (n=29). Paired aneurysm wall, ILT, omental biopsies were collected intra-operatively during open surgical repair (n=3). In addition to analyses of the tissue, supernatant was obtained from ex vivo culture of these paired tissue samples. Samples were subjected to non-targeted LC-MSMS workflow after trypsin digest, using the Universal method to discover novel proteins. LC-MSMS data was analysed using the Progenesis QI pipeline. Results: The median AAA size at baseline was 48 mm. 59 patients were prospectively followed for 12 months. The median growth rate of AAA was 3.8%/year (IQR 1.9% to 6.8%). Comparison between patients with the fastest vs the slowest (n=10 each) showed 116 proteins to be differentially expressed in their plasma. Among these proteins, 35 also changed significantly before and after AAA repair, suggesting their origin to from the AAA complex. Comparison of the proteomics profile of aneurysm tissue, ILT, and omental artery show 128 proteins to be uniquely present in ILT. Analyses of the tissue culture supernatant further revealed 3 proteins that are: (i) uniquely present in ILT; (ii) released by ILT; (iii) systemic levels reduced after AAA surgery; (iv) differs between fast and slow growth AAAs. One of these proteins is attractin. To validate the LC-MSMS data, attractin level in individual patient was measured by ELISA. Consistent with the LC-MSMS data, plasma attractin level is higher in patients with fast AAA growth. Plasma attractin level correlates significantly with future AAA growth rate (Spearman r=0.35, P<0.005). Using attractin and AAA diameter as input variables, the AUROC for predicting no growth of AAA at 12 months is 85% (P<0.001). Conclusion: We show that ILT of AAAs releases mediators (such as attractin) during the natural history of AAA growth. These are novel biomarkers for AAA growth prediction in humans.

Abstract Collagen-rich tissues have poor reparative capacity that is further impaired with age, predisposing to common age-related disorders such as osteoporosis and osteoarthritis. We used in vivo pulsed SILAC labelling to quantify new protein incorporation into cartilage, bone, skin and plasma of mice across the life course. We report highly dynamic matrisome turnover in bone and cartilage during skeletal maturation, which was markedly reduced after skeletal maturity. Comparing young adult with older adult mice, new protein incorporation was reduced in all tissues. STRING clustering revealed epigenetic modulation across all tissues, a decline in chondroprotective growth factors such as FGF2 and TGFb in cartilage, and clusters indicating mitochondrial dysregulation and reduced collagen synthesis in bone. Several of these pathways have been associated with age-related disease. Fewer changes were observed for skin and plasma. This methodology provides dynamic protein data at a tissue level, uncovering age-related molecular changes that may predispose to disease.

Abstract The transcription factor FOXN1 is a master regulator of thymic epithelial cell development and function. Here we demonstrate that FOXN1 expression is differentially regulated during organogenesis and participates in multi-molecular nuclear condensates essential for the factor’s transcriptional activity. FOXN1’s C-terminal sequence regulates the diffusion velocity within these aggregates and modulates the binding to proximal gene regulatory regions. These dynamics are significantly altered in a patient with a mutant FOXN1 which is modified in its C-terminal sequence. This mutant is transcriptionally inactive and acts as a dominant negative factor displacing wild-type FOXN1 from condensates and causing athymia and severe lymphopenia in heterozygotes. Expression of the mutated mouse ortholog, selectively impairs mouse thymic epithelial cell (TEC) differentiation revealing a gene dose dependency for individual TEC subtypes. We have therefore identified the cause for a primary immunodeficiency disease and determined the mechanism by which this FOXN1 gain-of-function mutant mediates its dominant negative effect.

The central dogma of molecular biology states that information flows from DNA to protein via RNA. This model is central to our understanding of biology but can lead to the assumption that changes in transcription and transcripts will inevitably lead to changes in protein levels, and so directly impact the metabolic and biosynthetic state of the cell. To test this assumption, we used a biological system characterised by genome-wide, cyclical changes in transcription, to assess whether changes in transcription are reflected in changes at the level of protein. We reveal that despite large changes in transcription at the majority of genes, there is little change in protein. This decoupling results from the slow rate of protein turnover. The changes protein activity we did observe were instead a reflection of the metabolic state of the cell, resulting from post-transcriptional modifications such as acetylation and phosphorylation, that in turn drive the cycling of processes such as transcription and ribosome biogenesis. Thus, transcriptional and transcript cycling reflects rather than drives the metabolic and biosynthetic changes during biological rhythms. We suggest that caution is needed when inferring the activity of biological processes from transcript data, as this reflects but does not predict the state of a cell.