A sensitive probe that detects protein sulfenylation in cells reveals that sulfenylation of the active site cysteine in EGFR enhances its kinase activity. Protein sulfenylation is a post-translational modification of emerging importance in higher eukaryotes. However, investigation of its diverse roles remains challenging, particularly within a native cellular environment. Herein we report the development and application of DYn-2, a new chemoselective probe for detecting sulfenylated proteins in human cells. These studies show that epidermal growth factor receptor–mediated signaling results in H2O2 production and oxidation of downstream proteins. In addition, we demonstrate that DYn-2 has the ability to detect differences in sulfenylation rates within the cell, which are associated with differences in target protein localization. We also show that the direct modification of epidermal growth factor receptor by H2O2 at a critical active site cysteine (Cys797) enhances its tyrosine kinase activity. Collectively, our findings reveal sulfenylation as a global signaling mechanism that is akin to phosphorylation and has regulatory implications for other receptor tyrosine kinases and irreversible inhibitors that target oxidant-sensitive cysteines in proteins.

Oxidation of cysteine to sulfenic acid has emerged as a biologically relevant post-translational modification with particular importance in redox-mediated signal transduction; however, the identity of modified proteins remains largely unknown. We recently reported DAz-1, a cell-permeable chemical probe capable of detecting sulfenic acid modified proteins directly in living cells. Here we describe DAz-2, an analogue of DAz-1 that exhibits significantly improved potency in vitro and in cells. Application of this new probe for global analysis of the sulfenome in a tumor cell line identifies most known sulfenic acid modified proteins: 14 in total, plus more than 175 new candidates, with further testing confirming oxidation in several candidates. The newly identified proteins have roles in signal transduction, DNA repair, metabolism, protein synthesis, redox homeostasis, nuclear transport, vesicle trafficking, and ER quality control. Cross-comparison of these results with those from disulfide, S-glutathionylation, and S-nitrosylation proteomes reveals moderate overlap, suggesting fundamental differences in the chemical and biological basis for target specificity. The combination of selective chemical enrichment and live-cell compatibility makes DAz-2 a powerful new tool with the potential to reveal new regulatory mechanisms in signaling pathways and identify new therapeutic targets.

Abstract Protein S‐sulfhydration (forming ‐S‐SH adducts from cysteine residues) is a newly defined oxidative posttranslational modification and plays an important role in H 2 S‐mediated signaling pathways. In this study we report the first selective, “tag‐switch” method which can directly label protein S‐sulfhydrated residues by forming stable thioether conjugates. Furthermore we demonstrate that H 2 S alone cannot lead to S‐sulfhydration and that the two possible physiological mechanisms include reaction with protein sulfenic acids (P‐SOH) or the involvement of metal centers which would facilitate the oxidation of H 2 S to HS . .

Mycobacterium tuberculosis (Mtb) survives under oxidatively hostile environments encountered inside host phagocytes. To protect itself from oxidative stress, Mtb produces millimolar concentrations of mycothiol (MSH), which functions as a major cytoplasmic redox buffer. Here, we introduce a novel system for real-time imaging of mycothiol redox potential (EMSH) within Mtb cells during infection. We demonstrate that coupling of Mtb MSH-dependent oxidoreductase (mycoredoxin-1; Mrx1) to redox-sensitive GFP (roGFP2; Mrx1-roGFP2) allowed measurement of dynamic changes in intramycobacterial EMSH with unprecedented sensitivity and specificity. Using Mrx1-roGFP2, we report the first quantitative measurements of EMSH in diverse mycobacterial species, genetic mutants, and drug-resistant patient isolates. These cellular studies reveal, for the first time, that the environment inside macrophages and sub-vacuolar compartments induces heterogeneity in EMSH of the Mtb population. Further application of this new biosensor demonstrates that treatment of Mtb infected macrophage with anti-tuberculosis (TB) drugs induces oxidative shift in EMSH, suggesting that the intramacrophage milieu and antibiotics cooperatively disrupt the MSH homeostasis to exert efficient Mtb killing. Lastly, we analyze the membrane integrity of Mtb cells with varied EMSH during infection and show that subpopulation with higher EMSH are susceptible to clinically relevant antibiotics, whereas lower EMSH promotes antibiotic tolerance. Together, these data suggest the importance of MSH redox signaling in modulating mycobacterial survival following treatment with anti-TB drugs. We anticipate that Mrx1-roGFP2 will be a major contributor to our understanding of redox biology of Mtb and will lead to novel strategies to target redox metabolism for controlling Mtb persistence.

The gain-of-function MUC5B promoter variant rs35705950 is the dominant risk factor for developing idiopathic pulmonary fibrosis (IPF). Here we show in humans that MUC5B, a mucin thought to be restricted to conducting airways, is co-expressed with surfactant protein C (SFTPC) in type 2 alveolar epithelia and in epithelial cells lining honeycomb cysts, indicating that cell types involved in lung fibrosis in distal airspace express MUC5B. In mice, we demonstrate that Muc5b concentration in bronchoalveolar epithelia is related to impaired mucociliary clearance (MCC) and to the extent and persistence of bleomycin-induced lung fibrosis. We also establish the ability of the mucolytic agent P-2119 to restore MCC and to suppress bleomycin-induced lung fibrosis in the setting of Muc5b overexpression. Our findings suggest that mucociliary dysfunction might play a causative role in bleomycin-induced pulmonary fibrosis in mice overexpressing Muc5b, and that MUC5B in distal airspaces is a potential therapeutic target in humans with IPF.

Abstract Reactive oxygen species are ubiquitous in cells, where they damage RNA and protein. While relief mechanisms, including effects on translation, have been described, whether ribosomes are functionally compromised by oxidation, and how this damage is mitigated, remains unknown. Here we show that cysteines in ribosomal proteins, including Rps26, are readily oxidized and rendered non-functional, which is exacerbated when yeast are exposed to H 2 O 2 . Oxidized Rps26 is released from ribosomes by its chaperone Tsr2, which allows for repair of the damaged ribosomes with newly made Rps26. Ribosomes containing damaged Rpl10 or Rpl23 are similarly repaired by their chaperones, Sqt1 and Bcp1. Ablation of this pathway impairs growth, which is exacerbated under oxidative stress. These findings reveal a novel mechanism for chaperone-mediated ribosome repair with implications for aging and health. One-Sentence Summary Chaperones repair thiol-oxidized ribosomes by release of damaged components and incorporation of newly made ribosomal proteins.

Abstract Small molecule therapeutics targeting severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) have lagged far behind the development of vaccines in the fight to control the COVID-19 pandemic. Here, we show that thiol-based mucolytic agents, P2119 and P2165, potently inhibit infection by human coronaviruses, including SARS-CoV-2, and decrease the binding of spike glycoprotein to its receptor, angiotensin-converting enzyme 2 (ACE2). Proteomics and reactive cysteine profiling link the antiviral activity of repurposed mucolytic agents to the reduction of key disulfides, specifically, by disruption of the Cys379–Cys432 and Cys391–Cys525 pairs distal to the receptor binding motif (RBM) in the receptor binding domain (RBD) of the spike glycoprotein. Computational analyses provide insight into conformation changes that occur when these disulfides break or form, consistent with an allosteric role, and indicate that P2119/P2165 target a conserved hydrophobic binding pocket in the RBD with the benzyl thiol warhead pointed directly towards Cys432. These collective findings establish the vulnerability of human coronaviruses to repurposed thiol-based mucolytics and lay the groundwork for developing these compounds as a potential treatment, preventative and/or adjuvant against infection.

ABSTRACT Under physiological conditions, Escherichia coli RidA is an enamine/imine deaminase, which promotes the release of ammonia from reactive enamine/imine intermediates. However, when modified by hypochlorous acid (HOCl), as produced by the host defense, RidA HOCl turns into a potent chaperone-like holdase that can effectively protect the proteome of E. coli during oxidative stress. We previously reported that the activation of RidA’s chaperone-like function coincides with the addition of at least seven and up to ten chlorine atoms. These atoms are reversibly added to basic amino acids in RidA HOCl and removal by reducing agents leads to inactivation. Nevertheless, it remains unclear, which residues in particular need to be chlorinated for activation. Here, we employ a combination of LC-MS/MS analysis, a chemo-proteomic approach, and a mutagenesis study to identify residues responsible for RidA’s chaperone-like function. Through LC-MS/MS of digested RidA HOCl , we obtained direct evidence of the chlorination of one arginine residue (and, coincidentally, two tyrosine residues), while other N- chlorinated residues could not be detected, presumably due to the instability of the modification and its potential interference with a proteolytic digest. Therefore, we established a chemoproteomic approach using 5-(dimethylamino) naphthalene-1-sulfinic acid (DANSO 2 H) as a probe to label N-chlorinated lysines. Using this probe, we were able to detect the N-chlorination of six additional lysine residues. Moreover, using a mutagenesis study to genetically probe the role of single arginine and lysine residues, we found that the removal of arginines R105 and R128 leads to a substantial reduction of RidAHOCl’s chaperone activity. These results, together with structural analysis, confirm that the chaperone activity of RidA is concomitant with the loss of positive charges on the protein surface, leading to an increased overall protein hydrophobicity. Molecular modelling of RidA HOCl and the rational design of a RidA variant that shows chaperone activity even in the absence of HOCl further supports our hypothesis. Our data provide a molecular mechanism for HOCl-mediated chaperone activity found in RidA and a growing number of other HOCl-activated chaperones.