Abstract Background Accurate discovery assay workflows are critical for identifying authentic circulating protein biomarkers in diverse blood matrices. Maximizing the commonalities in the proteomic workflows between different biofluids simplifies the approach and increases the likelihood for reproducibility. We developed a workflow that allows flexibility for high and mid-throughput analysis for three blood-based proteomes: naive plasma, plasma depleted of the 14 most abundant proteins, and dried blood. Methods Optimal conditions for sample preparation and DIA-MS analysis were established in plasma then automated and adapted for depleted plasma and whole blood. The MS workflow was modified to facilitate sensitive high-throughput or deep profile analysis with mid-throughput analysis. Analytical performance was evaluated from 5 complete workflows repeated over 3 days as well as a linearity analysis of a 5–6-point dilution curve. Result Using our high-throughput workflow, 74%, 93%, 87% of peptides displayed an inter-day CV<30% in plasma, depleted plasma and whole blood. While the mid-throughput workflow had 67%, 90%, 78% of peptides in plasma, depleted plasma and whole blood meeting the CV<30% standard. Lower limits of detection and quantitation were determined for proteins and peptides observed in each biofluid and workflow. Combining the analysis of both high-throughput plasma fractions exceeded the number of reliably identified proteins for individual biofluids in the mid-throughput workflows. Conclusion The workflow established here allowed for reliable detection of proteins covering a broad dynamic range. We envisage that implementation of this standard workflow on a large scale will facilitate the translation of candidate markers into clinical use.

Abstract Introduction Heart failure with preserved ejection fraction (HFpEF) is characterized by diastolic dysfunction, pulmonary congestion and exercise intolerance. Previous preclinical studies show that treatment with cardiosphere-derived cells (CDCs) improves diastolic function, attenuates arrhythmias and prolongs survival in a rat HFpEF model. Here we characterize the myocardial proteome and diastolic function in HFpEF, with and without CDC therapy. As an initial strategy for identifying pathways worthy of further mechanistic dissection, we correlated CDC-responsive proteomic changes with functional improvements. Methods and Results Dahl salt-sensitive rats fed high-salt diet, with verified diastolic dysfunction, were randomly assigned to intracoronary CDCs or placebo. Dahl rats fed a low salt diet served as controls. Phenotyping was by echocardiography (E/A ratio) and invasive hemodynamic monitoring (time constant of relaxation Tau, and left ventricular end-diastolic pressure [LVEDP]). CDC treatment improved diastolic function as indicated by a normalized E/A ratio, a 33.3% reduction in Tau, and a 47% reduction of LVEDP. Mass spectrometry of left ventricular tissues (n=6/group) revealed changes in transcription and translation pathways in this rat HFpEF model and was also recapitulated in human HFpEF. These pathways were enhanced following CDC treatment in the animal model (205 proteins and 32 phosphorylated residues accounting for 37% and 19% of all changes, respectively). Among all CDC-sensitive pathways, 65% can be linked to at least 1 of 7 upstream regulators, among which several are of potential relevance for regulating protein expression. To probe newly-synthesized proteins AHA labeling was carried out in isolated rat cardiomyocytes obtained from HFpEF groups, with and without CDC therapy. Five of the initial upstream regulators (HNF4A, MTOR, MYC, TGFβ1, and TP53) were linked to proteins expressed exclusively (or increased) with CDC treatment. All 32 phosphorylated residues of proteins involved in transcription/translation altered specifically by CDC treatment had predicted kinases (Protein kinase C (PKC) being the most dominant) and known to be regulated by MYC, TGFβ1 and/or TP53. Western blot analysis of those 5 upstream regulators showed that TGFβ1, TP53, and Myc were significantly decreased in LV from CDC treated animals, whereas MTOR and HNF4A showed a significant increase compared to HFpEF alone. The cellular quantities of several upstream regulator correlated with indices of diastolic function (E/A ratio, Tau and/or LVEDP). Since CDCs act via the secretion of exosomes laden with signaling cargo, it is relevant that all 7 upstream regulators could, in principle, be regulated by proteins or miRNA that are present in CDC-derived exosomes. Conclusion We identified key cellular regulators of transcription and translation that underlie the therapeutic effects of CDCs in HFpEF, whose levels correlate quantitatively with measures of diastolic function. Among the multifarious proteomic changes associated with rat model of HFpEF which were also observed in human HFpEF samples, we propose that these regulators, and downstream effector kinases, be prioritized for further dedicated mechanistic dissection.

Abstract Proteoforms containing post-translational modifications (PTMs) represent a degree of functional diversity only harnessed through analytically precise simultaneous quantification of multiple PTMs. Here we present a method to accurately differentiate an unmodified peptide from its PTM-containing counterpart through data-independent acquisition-mass spectrometry, leveraging small precursor mass windows to physically separate modified peptidoforms from each other during MS2 acquisition. We utilize a lysine and arginine PTM-enriched peptide assay library and site localization algorithm to simultaneously localize and quantify seven PTMs including mono-, di-, and tri-methylation, acetylation, and succinylation in addition to total protein quantification in a single MS run without the need to enrich experimental samples. To evaluate biological relevance, this method was applied to liver lysate from differentially methylated non-alcoholic steatohepatitis (NASH) mouse models. We report altered methylation and acetylation together with total protein changes drive the novel hypothesis of a regulatory function of PTMs in protein synthesis and mRNA stability in NASH. Graphical Abstract

Knowledge of "popular proteins" has been a focus of multiple Human Proteome Organi- zation (HUPO) initiatives and can guide the development of proteomics assays targeting important disease pathways. We report here an updated method to identify prioritized protein lists from the research literature, and apply it to catalog lists of important proteins across multiple cell types, sub-anatomical regions, and disease phenotypes of interest. We provide a systematic collection of popular proteins across 10,129 human diseases as defined by the Disease Ontology, 10,642 disease phenotypes defined by Human Phenotype Ontology, and 2,370 cellular pathways defined by Pathway Ontology. This strategy allows instant retrieval of popular proteins across the human "diseasome", and further allows reverse queries from protein to disease, enabling functional analysis of experimental protein lists using bibliometric annotations.

Summary Neurodegenerative diseases present a challenge for systems biology, due to the lack of reliable animal models and the difficulties in obtaining samples from patients at early stages of disease, when interventions might be most effective. Studying induced pluripotent stem cell (iPSC)-derived neurons could overcome these challenges and dramatically accelerate and broaden therapeutic strategies. Here we undertook a network-based multi-omic characterization of iPSC-derived motor neurons from ALS patients carrying genetically dominant hexanucleotide expansions in C9orf72 to gain a deeper understanding of the relationship between DNA, RNA, epigenetics and protein in the same pool of tissue. ALS motor neurons showed the expected C9orf72 -related alterations to specific nucleoporins and production of dipeptide repeats. RNA-seq, ATAC-seq and data-independent acquisition mass-spectrometry (DIA-MS) proteomics were then performed on the same motor neuron cultures. Using integrative computational methods that combined all of the omics, we discovered a number of novel dysregulated pathways including biological adhesion and extracellular matrix organization and disruption in other expected pathways such as RNA splicing and nuclear transport. We tested the relevance of these pathways in vivo in a C9orf72 Drosophila model, analyzing the data to determine which pathways were causing disease phenotypes and which were compensatory. We also confirmed that some pathways are altered in late-stage neurodegeneration by analyzing human postmortem C9 cervical spine data. To validate that these key pathways were integral to the C9 signature, we prepared a separate set of C9orf72 and control motor neuron cultures using a different differentiation protocol and applied the same methods. As expected, there were major overall differences between the differentiation protocols, especially at the level of in individual omics data. However, a number of the core dysregulated pathways remained significant using the integrated multiomic analysis. This new method of analyzing patient specific neural cultures allows the generation of disease-related hypotheses with a small number of patient lines which can be tested in larger cohorts of patients.