A better understanding of proteostasis in health and disease requires robust methods to determine protein half-lives. Here we improve the precision and accuracy of peptide ion intensity-based quantification, enabling more accurate protein turnover determination in non-dividing cells by dynamic SILAC-based proteomics. This approach allows exact determination of protein half-lives ranging from 10 to >1000 h. We identified 4000-6000 proteins in several non-dividing cell types, corresponding to 9699 unique protein identifications over the entire data set. We observed similar protein half-lives in B-cells, natural killer cells and monocytes, whereas hepatocytes and mouse embryonic neurons show substantial differences. Our data set extends and statistically validates the previous observation that subunits of protein complexes tend to have coherent turnover. Moreover, analysis of different proteasome and nuclear pore complex assemblies suggests that their turnover rate is architecture dependent. These results illustrate that our approach allows investigating protein turnover and its implications in various cell types.

Highlights•Multiplexed proteome dynamics profiling, mPDP, measures changes in proteostasis•JQ1-PROTAC degrades a key mRNA export factor and blocks protein synthesis•Raloxifene induces TMEM97 degradation dysregulating cholesterol homeostasis•Characterization of proteins dependent on HSP90 constitutively or during synthesisSummaryProtein degradation plays important roles in biological processes and is tightly regulated. Further, targeted proteolysis is an emerging research tool and therapeutic strategy. However, proteome-wide technologies to investigate the causes and consequences of protein degradation in biological systems are lacking. We developed "multiplexed proteome dynamics profiling" (mPDP), a mass-spectrometry-based approach combining dynamic-SILAC labeling with isobaric mass tagging for multiplexed analysis of protein degradation and synthesis. In three proof-of-concept studies, we uncover different responses induced by the bromodomain inhibitor JQ1 versus a JQ1 proteolysis targeting chimera; we elucidate distinct modes of action of estrogen receptor modulators; and we comprehensively classify HSP90 clients based on their requirement for HSP90 constitutively or during synthesis, demonstrating that constitutive HSP90 clients have lower thermal stability than non-clients, have higher affinity for the chaperone, vary between cell types, and change upon external stimuli. These findings highlight the potential of mPDP to identify dynamically controlled degradation mechanisms in cellular systems.Graphical abstract

Abstract Myofibroblasts are the key effector cells responsible for excessive extracellular matrix deposition in multiple fibrotic conditions, including idiopathic pulmonary fibrosis (IPF). The PI3K/Akt/mTOR axis has been implicated in fibrosis, with pan-PI3K/mTOR inhibition currently under clinical evaluation in IPF. Here we demonstrate that rapamycin-insensitive mTORC1 signaling via 4E-BP1 is a critical pathway for TGF-β 1 stimulated collagen synthesis in human lung fibroblasts, whereas canonical PI3K/Akt signaling is not required. The importance of mTORC1 signaling was confirmed by CRISPR-Cas9 gene editing in normal and IPF fibroblasts, as well as in lung cancer-associated fibroblasts, dermal fibroblasts and hepatic stellate cells. The inhibitory effect of ATP-competitive mTOR inhibition extended to other matrisome proteins implicated in the development of fibrosis and human disease relevance was demonstrated in live precision-cut IPF lung slices. Our data demonstrate that the mTORC1/4E-BP1 axis represents a critical signaling node during fibrogenesis with potential implications for the development of novel anti-fibrotic strategies.

Studying biological processes at a molecular level and monitoring drug-target interactions is established for simple cell systems but challenging in vivo. We introduce and apply a methodology for proteome-wide thermal stability measurements to characterize organ physiology and activity of many fundamental biological processes across tissues, such as energy metabolism and protein homeostasis. This method, termed tissue thermal proteome profiling (tissue-TPP), also enabled target and off-target identification and occupancy measurements in tissues derived from animals dosed with the non-covalent histone deacetylase inhibitor, panobinostat. Finally, we devised blood-CETSA, a thermal stability-based method to monitor target engagement in whole blood. Our study generates the first proteome-wide map of protein thermal stability in tissue and provides tools that will be of great impact for translational research.

ABSTRACT Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is one of the major causes of disability and death worldwide and a significant risk factor for respiratory infections. Rhinoviral infections are the most common trigger of COPD exacerbations which lead to a worsening of disease symptoms, decline in lung function and increased mortality. The lack of suitable disease models to study the relevant cellular and molecular mechanism hinders the discovery of novel medicines that prevent disease progression in exacerbating COPD patients. We used quantitative multi-color imaging of COPD and control patient derived human precision-cut lung slices (hPCLS) to study the impact of rhinovirus infection on the structure and function of the small airway epithelium. Data analysis highlighted that COPD-derived hPCLS have a higher cellular density and basal cell hyperplasia, more unciliated airway surface areas with mucus overproduction, and shorter cilia length compared to control hPCLS. In response to rhinovirus 16 infection, COPD-derived hPCLS secreted higher amounts of pro-inflammatory cytokines and displayed decreased epithelial integrity and reduced airway ciliation. Finally, treatment with a selective PI3Kδ inhibitor reduced secretion of rhinovirus-induced cytokines and ameliorated rhinovirus-induced damage to COPD small airway epithelia. Thus, these data demonstrate the potential of quantitative imaging to assess complex airway functions in a patient-derived lung tissue model system, and indicate that targeting PI3Kδ might be a promising therapeutic opportunity to limit rhinovirus-induced airway damage in exacerbating COPD patients. Summary PI3Kδ inhibition reduces rhinovirus-mediated damage of small airway epithelia from chronic obstructive pulmonary disease (COPD) patients

Fibrosis can affect any organ resulting in the loss of tissue architecture and function with often life-threatening consequences. Pathologically, fibrosis is characterised by expansion of connective tissue due to excessive deposition of extracellular matrix proteins (ECM), including the fibrillar forms of collagen. A significant hurdle for discovering cures for fibrosis is the lack of suitable models and techniques to quantify mature collagen deposition in tissues. Here we have extensively characterized an ex-vivo cultured human lung derived, precision-cut lung slices model (hPCLS) using live fluorescence light microscopy as well as mass spectrometry-based techniques to obtain a proteomic and metabolomic fingerprint. Using an integrated approach of multiple readouts such as quantitative label-free Second Harmonic Generation (SHG) imaging to measure fibrillar collagen in the extracellular matrix and ELISA-based methods to measure soluble ECM biomarkers, we investigated TGFbeta1-mediated pro-fibrotic signalling in hPCLS. We demonstrate that hPCLS are viable and metabolically active with mesenchymal, epithelial, endothelial, and immune cells surviving for at least two weeks in ex vivo culture. Analysis of hPCLS-conditioned supernatants showed strong induction of ECM synthesis proteins P1NP and fibronectin upon TGFb stimulation. Importantly, this effect translated into an increased deposition of fibrillar collagen in ECM of cultured hPCLS as measured by a novel quantitative SHG-based imaging method only following addition of a metalloproteinase inhibitor (GM6001). Together the data show that an integrated approach of measuring soluble pro-fibrotic markers and quantitative SHG-based analysis of fibrillar collagen is a valuable tool for studying pro-fibrotic signalling and testing anti-fibrotic agents.