Cell-surface death receptors such as DR4 and DR5 trigger apoptosis through a death-inducing signaling complex (DISC) that recruits the apical protease caspase-8. Apoptosis commitment requires efficient activation and autocatalytic release of caspase-8 into the cytoplasm to engage executioner caspases. While DISC recruitment initiates caspase-8 stimulation, full activation of the protease depends on further molecular aggregation events that are not fully understood. Here, we show that death receptor ligation induces polyubiquitination of caspase-8, through a previously unknown interaction of the DISC with a cullin3 (CUL3)-based E3 ligase. CUL3-mediated caspase-8 polyubiquitination required the RING box protein RBX1, whereas the deubiquitinase A20 reversed this modification. The ubiquitin-binding protein p62/sequestosome-1 promoted aggregation of CUL3-modified caspase-8 within p62-dependent foci, leading to full activation and processing of the enzyme and driving commitment to cell death. These results identify a mechanism that positively controls apoptosis signaling by polyubiquitination and aggregation of a key initiator caspase.

Posttranslational modification of proteins with polyubiquitin occurs in diverse signaling pathways and is tightly regulated to ensure cellular homeostasis. Studies employing ubiquitin mutants suggest that the fate of polyubiquitinated proteins is determined by which lysine within ubiquitin is linked to the C terminus of an adjacent ubiquitin. We have developed linkage-specific antibodies that recognize polyubiquitin chains joined through lysine 63 (K63) or 48 (K48). A cocrystal structure of an anti-K63 linkage Fab bound to K63-linked diubiquitin provides insight into the molecular basis for specificity. We use these antibodies to demonstrate that RIP1, which is essential for tumor necrosis factor-induced NF-kappaB activation, and IRAK1, which participates in signaling by interleukin-1beta and Toll-like receptors, both undergo polyubiquitin editing in stimulated cells. Both kinase adaptors initially acquire K63-linked polyubiquitin, while at later times K48-linked polyubiquitin targets them for proteasomal degradation. Polyubiquitin editing may therefore be a general mechanism for attenuating innate immune signaling.

De-ubiquitinating enzyme BAP1 is mutated in a hereditary cancer syndrome with increased risk of mesothelioma and uveal melanoma. Somatic BAP1 mutations occur in various malignancies. We show that mouse Bap1 gene deletion is lethal during embryogenesis, but systemic or hematopoietic-restricted deletion in adults recapitulates features of human myelodysplastic syndrome (MDS). Knockin mice expressing BAP1 with a 3xFlag tag revealed that BAP1 interacts with host cell factor-1 (HCF-1), O-linked N-acetylglucosamine transferase (OGT), and the polycomb group proteins ASXL1 and ASXL2 in vivo. OGT and HCF-1 levels were decreased by Bap1 deletion, indicating a critical role for BAP1 in stabilizing these epigenetic regulators. Human ASXL1 is mutated frequently in chronic myelomonocytic leukemia (CMML) so an ASXL/BAP1 complex may suppress CMML. A BAP1 catalytic mutation found in a MDS patient implies that BAP1 loss of function has similar consequences in mice and humans.

Abstract Antigen presentation on MHC class I (MHC-I) is key to the adaptive immune response to cancerous cells. Computational prediction of peptide presentation by MHC-I has enabled individualized cancer immunotherapies. Here, we introduce HLApollo, a transformer-based approach with end-to-end modeling of MHC-I sequence, deconvolution, and flanking sequences. To achieve this, we develop a novel training strategy, negative set switching, which greatly reduces overfitting to falsely presumed negatives that are necessarily found in presentation datasets. HLApollo shows a meaningful improvement compared to recent MHC-I models on peptide presentation (20.19% average precision (AP)) and immunogenicity (4.1% AP). As expected, adding gene expression boosts the performance of HLApollo. More interestingly, we show that introduction of features from a protein language model, ESM 1b, remarkably recoups much of the benefits of gene expression in absence of true expression measurements. Finally, we demonstrate excellent pan-allelic generalization, and introduce a framework for estimating the expected accuracy of HLApollo for untrained alleles. This guides the use of HLApollo in a clinical setting, where rare alleles may be observed in some subjects, particularly for underrepresented minorities.