Xeroderma pigmentosum (XP) is caused by defective nucleotide excision repair of DNA damage. This results in hypersensitivity to ultraviolet light and increased skin cancer risk, as sunlight-induced photoproducts remain unrepaired. However, many XP patients also display early-onset neurodegeneration, which leads to premature death. The mechanism of neurodegeneration is unknown. Here, we investigate XP neurodegeneration using pluripotent stem cells derived from XP patients and healthy relatives, performing functional multi-omics on samples during neuronal differentiation. We show substantially increased levels of 5′,8-cyclopurine and 8-oxopurine in XP neuronal DNA secondary to marked oxidative stress. Furthermore, we find that the endoplasmic reticulum stress response is upregulated and reversal of the mutant genotype is associated with phenotypic rescue. Critically, XP neurons exhibit inappropriate downregulation of the protein clearance ubiquitin-proteasome system (UPS). Chemical enhancement of UPS activity in XP neuronal models improves phenotypes, albeit inadequately. Although more work is required, this study presents insights with intervention potential.

The concentration of many transcription factors exhibit high cell-to-cell variability due to differences in synthesis, degradation, and cell size. How these factors are robust to fluctuations in concentration is poorly understood. Here we quantified the single cell levels of the YAP/TAZ transcriptional co-activators in parallel with cell morphology for over 400,000 single cells across 17 cell lines. We show the whole cell concentration of YAP/TAZ sub-scales with respect to size as cells grow during proliferation. However, the mean nuclear concentration of YAP/TAZ remains constant during the cell cycle. Theoretical modelling demonstrates that the extent to which whole cell YAP/TAZ dilutes in single cells during proliferative growth dictates the variability of YAP/TAZ levels across the population. Integrative analysis of imaging and proteomic data show the average nuclear YAP/TAZ concentration is predicted by differences in RAS/MAPK signalling, focal adhesion maturation, and nuclear transport processes. We developed a statistical framework capable of discriminating between perturbations that affect YAP/TAZ directly, or via changes in morphology. Deployment of these models on genetic screening data or small-molecule treatments reveal that inhibition of MEK, CDK4/6, LATS and RhoGTPases decouple nuclear YAP/TAZ from cell morphology by regulating nuclear translocation. Thus signalling activity couples size changes to YAP/TAZ translocation; leading to a stable pool of nuclear YAP/TAZ during proliferation. Significance Statement Many proteins dilute/concentrate with changes in cell size. It is unclear how robustness in cell signalling emerges across differently sized cells, with varying intracellular protein concentrations, over generations. Here, we have shown that despite whole cell dilution of the transcriptional co activators YAP/TAZ with increasing size, a steady-state nuclear concentration distribution is maintained across the population. Thus nuclear transport promotes robustness of signal response in the face of a dwindling cytoplasmic YAP/TAZ levels. An integrative approach revealed that focal adhesions, RAS/MAPK and nuclear import contributes to the the maintenance of YAP/TAZ nuclear levels. Cells appear to have evolved systems to ensure robustness against alterations to cell size during the cell cycle.

The concentration of many transcription factors exhibit high cell-to-cell variability due to differences in synthesis, degradation, and cell size. Whether the functions of these factors are robust to fluctuations in...

Abstract Almost all living cells maintain size uniformity through successive divisions. Proteins that sub- or super-scale with size act as rheostats which regulate cell progression. A comprehensive atlas of these proteins is lacking; particularly in cancer cells where both mitogen and growth signalling are dysregulated. Utilising a multi-omic strategy, that integrates quantitative single cell imaging, phosphoproteomic and transcriptomic datasets, we leverage the inherent size heterogeneity of melanoma cells to investigate how peptides, post-translational modifications, and mRNAs scale with cell size to regulate proliferation. We find melanoma cells have different mean sizes, but all retain uniformity. Across the proteome, we identify proteins and phosphorylation events that ‘sub’ and ‘super’ scale with cell size. In particular, G2/M, biosynthetic, and cytoskeletal regulators sub- and super-scale with size. In small cells growth and proliferation processes are tightly coupled by translation which promotes CCND1 accumulation and anabolic increases in mass. Counter intuitively, anabolic growth pathways and translational process are low in large cells, which throttles the expression of factors such as CCND1 and thereby coupling proliferation from anabolic growth. Strikingly, these cells exhibit increased growth and comparable proliferation rates. Mathematical modelling suggests that decoupling growth and proliferative signalling fosters proliferation under mitogenic inhibition. As factors which promote adhesion and actin reorganization super-scale with size or are enriched in large cells, we suggest that growth/proliferation in these cells may be decoupled by cell spreading and mechanics. This study provides one of the first demonstrations of size-scaling phenomena in cancer and how morphology determines the chemistry of the cell.