A better understanding of proteostasis in health and disease requires robust methods to determine protein half-lives. Here we improve the precision and accuracy of peptide ion intensity-based quantification, enabling more accurate protein turnover determination in non-dividing cells by dynamic SILAC-based proteomics. This approach allows exact determination of protein half-lives ranging from 10 to >1000 h. We identified 4000-6000 proteins in several non-dividing cell types, corresponding to 9699 unique protein identifications over the entire data set. We observed similar protein half-lives in B-cells, natural killer cells and monocytes, whereas hepatocytes and mouse embryonic neurons show substantial differences. Our data set extends and statistically validates the previous observation that subunits of protein complexes tend to have coherent turnover. Moreover, analysis of different proteasome and nuclear pore complex assemblies suggests that their turnover rate is architecture dependent. These results illustrate that our approach allows investigating protein turnover and its implications in various cell types.

Large scale phosphorylation analysis is more and more getting into focus of proteomic research. Although it is now possible to identify thousands of phosphorylated peptides in a biological system, confident site localization remains challenging. Here we validate the Mascot Delta Score (MD-score) as a simple method that achieves similar sensitivity and specificity for phosphosite localization as the published Ascore, which is mainly used in conjunction with Sequest. The MD-score was evaluated using liquid chromatography-tandem MS data of 180 individually synthesized phosphopeptides with precisely known phosphorylation sites. We tested the MD-score for a wide range of commonly available fragmentation methods and found it to be applicable throughout with high statistical significance. However, the different fragmentation techniques differ strongly in their ability to localize phosphorylation sites. At 1% false localization rate, the highest number of correctly assigned phosphopeptides was achieved by higher energy collision induced dissociation in combination with an Orbitrap mass analyzer followed very closely by low resolution ion trap spectra obtained after electron transfer dissociation. Both these methods are significantly better than low resolution spectra acquired after collision induced dissociation and multi stage activation. Score thresholds determined from simple calibration functions for each fragmentation method were stable over replicate analyses of the phosphopeptide set. The MD-score outperforms the Ascore for tyrosine phosphorylated peptides and we further show that the ability to call sites correctly increases with increasing distance of two candidate sites within a peptide sequence. The MD-score does not require complex computational steps which makes it attractive in terms of practical utility. We provide all mass spectra and the synthetic peptides to the community so that the development of present and future localization software can be benchmarked and any laboratory can determine MD-scores and localization probabilities for their individual analytical set up.

Isobaric mass tagging (e.g., TMT and iTRAQ) is a precise and sensitive multiplexed peptide/protein quantification technique in mass spectrometry. However, accurate quantification of complex proteomic samples is impaired by cofragmentation of peptides, leading to systematic underestimation of quantitative ratios. Label-free quantification strategies do not suffer from such an accuracy bias but cannot be multiplexed and are less precise. Here, we compared protein quantification results obtained with these methods for a chemoproteomic competition binding experiment and evaluated the utility of measures of spectrum purity in survey spectra for estimating the impact of cofragmentation on measured TMT-ratios. While applying stringent interference filters enables substantially more accurate TMT quantification, this came at the expense of 30%–60% fewer proteins quantified. We devised an algorithm that corrects experimental TMT ratios on the basis of determined peptide interference levels. The quantification accuracy achieved with this correction was comparable to that obtained with stringent spectrum filters but limited the loss in coverage to <10%. The generic applicability of the fold change correction algorithm was further demonstrated by spiking of chemoproteomics samples into excess amounts of E. coli tryptic digests.

Isobaric mass tag-based quantitative proteomics strategies such as iTRAQ and TMT utilize reporter ions in the low mass range of tandem MS spectra for relative quantification. The recent extension of TMT multiplexing to 10 conditions has been enabled by utilizing neutron encoded tags with reporter ion m/z differences of 6 mDa. The baseline resolution of these closely spaced tags is possible due to the high resolving power of current day mass spectrometers. In this work we evaluated the performance of the TMT10 isobaric mass tags on the Q Exactive Orbitrap mass spectrometers for the first time and demonstrated comparable quantification accuracy and precision to what can be achieved on the Orbitrap Elite mass spectrometers. However, we discovered, upon analysis of complex proteomics samples on the Q Exactive Orbitrap mass spectrometers, that the proximate TMT10 reporter ion pairs become prone to coalescence. The fusion of the different reporter ion signals into a single measurable entity has a detrimental effect on peptide and protein quantification. We established that the main reason for coalescence is the commonly accepted maximum ion target for MS2 spectra of 1e6 on the Q Exactive instruments. The coalescence artifact was completely removed by lowering the maximum ion target for MS2 spectra from 1e6 to 2e5 without any losses in identification depth or quantification quality of proteins.