Abstract We describe here the structure and organization of TnCentral ( https://tncentral.proteininformationresource.org/ ). a web resource for prokaryotic transposable elements (TE). TnCentral currently contains ~400 carefully annotated TE, including transposons from the Tn 3 , Tn 7 , Tn 402 and Tn 554 families, compound transposons, integrons and associated insertion sequences (IS). These TE carry passenger genes, including genes conferring resistance to over 25 classes of antibiotics and nine types of heavy metal as well as genes responsible for pathogenesis in plants, toxin/antitoxin gene pairs, transcription factors and genes involved in metabolism. Each TE has its own entry page providing details about its transposition genes, passenger genes, and other sequence features required for transposition as well as a graphical map of all features. TnCentral content can be browsed and queried through text and sequence-based searches with a graphic output. We describe three use cases, which illustrate how the search interface, results tables, and entry pages can be used to explore and compare TEs. TnCentral also includes downloadable software to facilitate user-driven identification, with manual annotation, of certain types of TE in genomic sequences. Through the TnCentral homepage, users can also access TnPedia which provides comprehensive reviews of the major TE families including an extensive general section, and specialised sections with descriptions of insertion sequence and transposon families. TnCentral and TnPedia are intuitive resources that can be used by clinicians and scientists to assess TE diversity in clinical, veterinary and environmental samples. Importance The ability of bacteria to undergo rapid evolution and adapt to changing environmental circumstances drives the public health crisis of multiple antibiotic resistance as well as outbreaks of disease in economically important agricultural crops and animal husbandry. Prokaryotic transposable elements (TE) play a critical role in this. Many carry “passenger genes” (not required for the transposition process) conferring resistance to antibiotics or heavy metals or causing disease in plants and animals. Passenger genes are spread by the normal TE transposition activities, by insertion into plasmids which then spread via conjugation within and across bacterial populations. Thus, an understanding of TE composition and transposition mechanisms is key to developing strategies to combat bacterial pathogenesis. Toward this end, we have developed TnCentral, a bioinformatics resource dedicated to describing and exploring the structural and functional features of prokaryotic TE and whose use is intuitive and accessible to users with or without bioinformatics expertise.

Abstract Lung cancer is the leading cause of cancer mortality worldwide. The treatment of lung cancer patients harboring mutant EGFR with orally administered EGFR TKIs has been a paradigm shift. Osimertinib and rociletinib are 3 rd generation irreversible EGFR TKIs targeting the EGFR T790M mutation. Osimertinib is the current standard care for patients with EGFR mutations due to increased efficacy, lower side effects, and enhanced brain penetrance. Unfortunately, all patients develop resistance. Genomic approaches have primarily been used to interrogate resistance mechanisms. Here, we have characterized the proteome and phosphoproteome of a series of isogenic EGFR mutant lung adenocarcinoma cell lines that are either sensitive or resistant to these drugs. To our knowledge, this is the most comprehensive proteomic dataset resource to date to investigate 3 rd generation EGFR TKI resistance in lung adenocarcinoma. We have interrogated this unbiased global quantitative mass spectrometry dataset to uncover alterations in signaling pathways, reveal a proteomic signature of epithelial mesenchymal transition (EMT) and identify kinases and phosphatases with altered expression and phosphorylation in TKI resistant cells. Decreased tyrosine phosphorylation of key sites in the phosphatase SHP2 suggests its inhibition resulting in inhibition of RAS/MAPK and activation of PI3K/AKT pathways. Furthermore, we performed anticorrelation analyses of this phosphoproteomic dataset with the published drug-induced P100 phosphoproteomic datasets from the Library of Integrated Network-Based Cellular Signatures (LINCS) program to predict drugs with the potential to overcome EGFR TKI resistance. We identified dactolisib, a PI3K/mTOR inhibitor, which in combination with osimertinib overcomes resistance both in vitro and in vivo . One Sentence Summary Global quantitative proteome and phosphoproteome analyses to examine altered signaling pathways in isogenic 3 rd generation EGFR TKI sensitive and resistant cells.

Abstract We analyzed large-scale post-translational modification (PTM) data to outline cell signaling pathways affected by tyrosine kinase inhibitors (TKIs) in ten lung cancer cell lines. Tyrosine phosphorylated, lysine ubiquitinated, and lysine acetylated proteins were concomitantly identified using sequential enrichment of post translational modification (SEPTM) proteomics. Machine learning was used to identify PTM clusters that represent functional modules that respond to TKIs. To model lung cancer signaling at the protein level, PTM clusters were used to create a co-cluster correlation network (CCCN) and select protein-protein interactions (PPIs) from a large network of curated PPIs to create a cluster-filtered network (CFN). Next, we constructed a Pathway Crosstalk Network (PCN) by connecting pathways from NCATS BioPlanet whose member proteins have PTMs that co-cluster. Interrogating the CCCN, CFN, and PCN individually and in combination yields insights into the response of lung cancer cells to TKIs. We highlight examples where cell signaling pathways involving EGFR and ALK exhibit crosstalk with BioPlanet pathways: Transmembrane transport of small molecules; and Glycolysis and gluconeogenesis. These data identify known and previously unappreciated connections between receptor tyrosine kinase (RTK) signal transduction and oncogenic metabolic reprogramming in lung cancer. Comparison to a CFN generated from a previous multi-PTM analysis of lung cancer cell lines reveals a common core of PPIs involving heat shock/chaperone proteins, metabolic enzymes, cytoskeletal components, and RNA-binding proteins. Elucidation of points of crosstalk among signaling pathways employing different PTMs reveals new potential drug targets and candidates for synergistic attack through combination drug therapy. Author Summary Protein post-translational modifications (PTMs), such as phosphorylation, ubiquitination, and acetylation, are extensively employed by cell signaling pathways that regulate cell division, differentiation, migration, and cancer. We used machine learning to identify PTM clusters that represent functional modules in cell signaling pathways. These clusters were used to identify protein-protein interactions, and interactions between cell signaling pathways, that were active in lung cancer cells that were treated with anti-cancer drugs. We model these interactions as networks at three levels of granularity at the pathway, protein-protein interaction, and PTM levels. Interrogation of these networks yielded insights into molecular interactions between cell signaling pathways activated by oncogenes, transmembrane transport of small molecules, and glycolysis and gluconeogenesis. These analyses identify previously unappreciated mechanisms of crosstalk among signaling pathways between oncogenic tyrosine kinase signaling and proteins that regulate metabolic reprogramming in lung cancer, revealing new potential drug targets for combination therapy.

The data generated in nearly 30 years of bacterial genome sequencing has revealed the abundance of transposable elements (TE) and their importance in genome and transcript remodeling through the mediation of DNA insertions and deletions, structural rearrangements, and regulation of gene expression. Furthermore, what we have learned from studying transposition mechanisms and their regulation in bacterial TE is fundamental to our current understanding of TE in other organisms because much of what has been observed in bacteria is conserved in all domains of life. However, unlike eukaryotic TE, prokaryotic TE sequester and transmit important classes of genes that impact host fitness, such as resistance to antibiotics and heavy metals and virulence factors affecting animals and plants, among other acquired traits. This provides dynamism and plasticity to bacteria, which would otherwise be propagated clonally. The insertion sequences (IS), the simplest form of prokaryotic TE, are autonomous and compact mobile genetic elements. These can be organized into compound transposons, in which two similar IS can flank any DNA segment and render it transposable. Other more complex structures, called unit transposons, can be grouped into four major families (Tn3, Tn7, Tn402, Tn554) with specific genetic characteristics. This chapter will revisit the prominent structural features of these elements, focusing on a genomic annotation framework and comparative analysis. Relevant aspects of TE will also be presented, stressing their key position in genome impact and evolution, especially in the emergence of antimicrobial resistance and other adaptive traits.

Large proteomics data, including those generated by mass spectrometry, are being generated to characterize biological systems at the protein level. Computational methods and tools to identify and quantify peptides, proteins and post-translational modifications (PTMs) that are captured in modern mass spectrometers have matured over the years. On the other hand, tools for downstream analysis, interpretation and visualization of proteomics data sets, in particular those involving PTMs, require further improvement and integration to accelerate scientific discovery and maximize the impact of proteomics studies by connecting them better with biological knowledge across not only proteomics, but also other Omics domains. With the goal of addressing these challenges, the piNET server has been developed as a versatile web platform to facilitate mapping, annotation, analysis and visualization of peptide, PTM, and protein level quantitative data generated by either targeted, shotgun or other proteomics approaches. Building on our experience with large scale analysis of gene and protein expression profiles as part of the Library of Integrated Network Cellular Signatures (LINCS) project, piNET has been designed as a fast, versatile and easy to use web-based tool with three modules that provide mapping from peptides (with PTMs) to proteins, from PTM sites to modifying enzymes that target those sites, and finally from proteins (with PTMs) to pathways, and for further mechanistic insights to LINCS signatures of chemical and genetic perturbations. piNET is freely available at http://www.pinet-server.org.

Abstract We provide an overview of a protein, IEE (Insertion Sequence Excision Enhancer), which was originally observed to facilitate high levels of excision of the IS3 family member, IS629, from clinically important Escherichia coli O157:H7. IEE was subsequently shown to affect a large class of bacterial insertion sequences which all transpose by producing a circular intermediate and presumably use the copy-out-paste-in transposition mechanism. Excision is dependent on both IEE and transposase indicating that it is associated with the transposition process itself. We propose that IEE serves to immobilize genes carried by compound transposons by removing the flanking IS copies, an activity which would explain the presence of certain of these genes without associated IS copies in plasmids and chromosomes. The biochemical activities of IEE as a primase with the capacity to recognize microhomologies, together with the observation that its effect appears to be restricted to those IS families which probably use the copy-out-paste-in transposition pathway, suggests a strand switch mechanism during the copy-out step leading to abortive transposition. This reinforces the proposal made for understanding the loss of the IS 30 family member, IS Apl1 , which flanks the mcr -1 gene in the compound transposon Tn 6330 .

Much of the diversity of prokaryotic genomes is contributed by the tightly controlled recombination activity of transposons (Tn). The Tn 3 family is arguably one of the most widespread transposon families. Members carry a large range of passenger genes incorporated into their structures. Family members undergo replicative transposition using a DDE transposase to generate a cointegrate structure which is then resolved by site-specific recombination between specific DNA sequences ( res ) on each of the two Tn copies in the cointegrate. These sites also carry promoters controlling expression of the recombinase and transposase. We report here that a number of Tn 3 members encode a type II toxin-antitoxin (TA) system, typically composed of a stable toxin and a labile antitoxin that binds the toxin and inhibits its lethal activity. This system serves to improve plasmid maintenance in a bacterial population and, until recently, was believed to be associated with bacterial persistence. At least six different TA gene pairs are associated with various Tn 3 members. Our data suggest that several independent acquisition events have occurred. In contrast to most Tn 3 family passenger genes which are generally located away from the transposition module, the TA gene pairs abut the res site upstream of the resolvase genes. Although their role when part of Tn 3 family transposons is unclear, this finding suggests a potential role for the embedded TA in stabilizing the associated transposon with the possibility that TA expression is coupled to expression of transposase and resolvase during the transposition process itself.Importance Transposable Elements (TEs) are important in genetic diversification due to their recombination properties and their ability to promote horizontal gene transfer. Over the last decades, much effort has been made to understand TE transposition mechanisms and their impact on prokaryotic genomes. For example, the Tn 3 family is ubiquitous in bacteria, moulding their host genomes by the paste-and-copy mechanism. In addition to the transposition module, Tn 3 members often carry additional passenger genes (e.g., conferring antibiotic or heavy metal resistance and virulence) and three were previously known to carry a toxin-antitoxin (TA) system often associated with plasmid maintenance; however, the role of TA systems within the Tn 3 family is unknown. The genetic context of TA systems in Tn 3 members suggests that they may play a regulatory role in ensuring stable invasion of these Tn during transposition.