Cellular processes often depend on stable physical associations between proteins. Despite recent progress, knowledge of the composition of human protein complexes remains limited. To close this gap, we applied an integrative global proteomic profiling approach, based on chromatographic separation of cultured human cell extracts into more than one thousand biochemical fractions that were subsequently analyzed by quantitative tandem mass spectrometry, to systematically identify a network of 13,993 high-confidence physical interactions among 3,006 stably associated soluble human proteins. Most of the 622 putative protein complexes we report are linked to core biological processes and encompass both candidate disease genes and unannotated proteins to inform on mechanism. Strikingly, whereas larger multiprotein assemblies tend to be more extensively annotated and evolutionarily conserved, human protein complexes with five or fewer subunits are far more likely to be functionally unannotated or restricted to vertebrates, suggesting more recent functional innovations.

Macromolecular complexes are essential to conserved biological processes, but their prevalence across animals is unclear. By combining extensive biochemical fractionation with quantitative mass spectrometry, here we directly examined the composition of soluble multiprotein complexes among diverse metazoan models. Using an integrative approach, we generated a draft conservation map consisting of more than one million putative high-confidence co-complex interactions for species with fully sequenced genomes that encompasses functional modules present broadly across all extant animals. Clustering reveals a spectrum of conservation, ranging from ancient eukaryotic assemblies that have probably served cellular housekeeping roles for at least one billion years, ancestral complexes that have accrued contemporary components, and rarer metazoan innovations linked to multicellularity. We validated these projections by independent co-fractionation experiments in evolutionarily distant species, affinity purification and functional analyses. The comprehensiveness, centrality and modularity of these reconstructed interactomes reflect their fundamental mechanistic importance and adaptive value to animal cell systems. Using biochemical fractionation and mass spectrometry, animal protein complexes are identified from nine species in parallel, and, along with genome sequence information, complex conservation is investigated and over one million protein–protein interactions are predicted in 122 eukaryotes. Elucidating the components of multiprotein complexes on a proteome-wide scale has been aided by high-throughput methods for systematically determining protein–protein interactions. Here, Edward Marcotte and colleagues identify protein complexes from nine species in parallel, based on biochemical fractionation of native soluble macromolecular complexes followed by tandem mass spectrometry to identify components. The data, from roundworm, mouse, sea urchin, human, frog, fly, sea anemone, slime mould and yeast, show that many complexes are conserved across species. Combing the results with genome sequence information, the authors are able to predict more than one million interactions in 122 eukaryotes.

One-third of the 4,225 protein-coding genes of Escherichia coli K-12 remain functionally unannotated (orphans). Many map to distant clades such as Archaea, suggesting involvement in basic prokaryotic traits, whereas others appear restricted to E. coli, including pathogenic strains. To elucidate the orphans' biological roles, we performed an extensive proteomic survey using affinity-tagged E. coli strains and generated comprehensive genomic context inferences to derive a high-confidence compendium for virtually the entire proteome consisting of 5,993 putative physical interactions and 74,776 putative functional associations, most of which are novel. Clustering of the respective probabilistic networks revealed putative orphan membership in discrete multiprotein complexes and functional modules together with annotated gene products, whereas a machine-learning strategy based on network integration implicated the orphans in specific biological processes. We provide additional experimental evidence supporting orphan participation in protein synthesis, amino acid metabolism, biofilm formation, motility, and assembly of the bacterial cell envelope. This resource provides a "systems-wide" functional blueprint of a model microbe, with insights into the biological and evolutionary significance of previously uncharacterized proteins.

Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (CRISPRs) and the associated proteins (Cas) comprise a system of adaptive immunity against viruses and plasmids in prokaryotes. Cas1 is a CRISPR-associated protein that is common to all CRISPR-containing prokaryotes but its function remains obscure. Here we show that the purified Cas1 protein of Escherichia coli (YgbT) exhibits nuclease activity against single-stranded and branched DNAs including Holliday junctions, replication forks and 5'-flaps. The crystal structure of YgbT and site-directed mutagenesis have revealed the potential active site. Genome-wide screens show that YgbT physically and genetically interacts with key components of DNA repair systems, including recB, recC and ruvB. Consistent with these findings, the ygbT deletion strain showed increased sensitivity to DNA damage and impaired chromosomal segregation. Similar phenotypes were observed in strains with deletion of CRISPR clusters, suggesting that the function of YgbT in repair involves interaction with the CRISPRs. These results show that YgbT belongs to a novel, structurally distinct family of nucleases acting on branched DNAs and suggest that, in addition to antiviral immunity, at least some components of the CRISPR-Cas system have a function in DNA repair.

Summary Epithelial to mesenchymal transition (EMT) is a complex cellular program proceeding through a hybrid E/M state linked to cancer-associated stemness, migration and chemoresistance. Deeper molecular understanding of this dynamic physiological landscape is needed to define events which regulate the transition and entry into and exit from the E/M state. Here, we quantified >60,000 molecules across ten time points and twelve omic layers in human mammary epithelial cells undergoing TGFβ-induced EMT. Deep proteomic profiles of whole cells, nuclei, extracellular vesicles, secretome, membrane and phosphoproteome defined state-specific signatures and major transition points. Parallel metabolomics showed metabolic reprogramming preceded changes in other layers, while single-cell RNA sequencing identified transcription factors controlling entry into E/M. Covariance analysis exposed unexpected discordance between the molecular layers. Integrative causal modeling revealed co-dependencies governing entry into E/M that were verified experimentally using combinatorial inhibition. Overall, this dataset provides an unprecedented resource on TGFβ signaling, EMT and cancer.

Abstract YhcB, an uncharacterized protein conserved across gamma-proteobacteria, is composed predominantly of a single Domain of Unknown Function (DUF 1043) with an N-terminal transmembrane α-helix. Here, we show that E. coli YhcB is a conditionally essential protein that interacts with the proteins of the cell divisome (e.g., FtsI, FtsQ) and elongasome (e.g., RodZ, RodA). We found 7 interactions of YhcB that are conserved in Yersinia pestis and/or Vibrio cholerae . Furthermore, we identified several point mutations that abolished interactions of YhcB with FtsI and RodZ. The yhcB knock-out strain does not grow at 45°C and is hypersensitive to cell-wall acting antibiotics even in stationary phase. The deletion of yhcB leads to filamentation, abnormal FtsZ ring formation, and aberrant septa development. The 2.8 Å crystal structure for the cytosolic domain from Haemophilus ducreyi YhcB shows a unique tetrameric α-helical coiled-coil structure that combines parallel and anti-parallel coiled-coil intersubunit interactions. This structure is likely to organize interprotein oligomeric interactions on the inner surface of the cytoplasmic membrane, possibly involved in regulation of cell division and/or envelope biogenesis/integrity in proteobacteria. In summary, YhcB is a conserved and conditionally essential protein that is predicted to play a role in cell division and consequently or in addition affects envelope biogenesis. Importance Only 0.8 % of the protein annotations in the UniProt are based on experimental evidence and thus, functional characterization of unknown proteins remains a rate-limiting step in molecular biology. Herein, the functional properties of YhcB (DUF1043) were investigated using an integrated approach combining X-ray crystallography with genetics and molecular biology. YhcB is a conserved protein that appears to be needed for the transition from exponential to stationary growth and is involved in cell division and/or envelope biogenesis/integrity. This study will serve as a starting point for future studies on this protein family and on how cells transit from exponential to stationary survival.

Antimicrobial peptides (AMPs) are key effectors of the innate immune system and promising therapeutic agents. Yet, knowledge on how to design AMPs with minimal cross-resistance to human host-defense peptides remains limited. Here, with a chemical-genetic approach, we systematically assessed the resistance determinants of Escherichia coli against 15 different AMPs. Although generalizations about AMP resistance are common in the literature, we found that AMPs with different physicochemical properties and cellular targets vary considerably in their resistance determinants. As a consequence, collateral sensitivity effects were common: numerous genes decreased susceptibility to one AMP while simultaneously sensitized to others. Finally, the chemical-genetic map predicted the cross-resistance spectrum of laboratory-evolved human-B-defensin-3 resistant lineages. Our work substantially broadens the scope of known resistance-modulating genes and explores the pleiotropic effects of AMP resistance. In the future, the chemical-genetic map could inform efforts to minimize cross-resistance between therapeutic and human host AMPs.

Mutations in the mitochondrial cristae protein CHCHD2 lead to a late-onset autosomal dominant form of Parkinson's disease (PD) which closely resembles idiopathic PD, providing the opportunity to gain new insights into the mechanisms of mitochondrial dysfunction contributing to PD. To begin to address this, we used CRISPR genome-editing to generate CHCHD2 T61I point mutant mice. CHCHD2 T61I mice had normal viability, and had only subtle motor deficits with no signs of premature dopaminergic (DA) neuron degeneration. Nonetheless, CHCHD2 T61I mice exhibited robust molecular changes in the brain including increased CHCHD2 insolubility, accumulation of CHCHD2 protein preferentially in the substantia nigra (SN), and elevated levels of α-synuclein. Metabolic analyses revealed an increase in glucose metabolism through glycolysis relative to the TCA cycle with increased respiratory exchange ratio, and immune-electron microscopy revelated disrupted mitochondria in DA neurons. Moreover, spatial genomics revealed decreased expression of mitochondrial complex I and III respiratory chain proteins, while proteomics revealed increased respiratory chain and other mitochondrial protein-protein interactions. As such, the CHCHD2 T61I point-mutation mice exhibit robust mitochondrial disruption and a consequent metabolic shift towards glycolysis. These findings thus establish CHCHD2 T61I mice as a new model for mitochondrial-based PD, and implicate disrupted respiratory chain function as a likely causative driver.