The blood proteome in disease Understanding the function of human blood serum proteins in disease has been limited by difficulties in monitoring their production, accumulation, and distribution. Emilsson et al. investigated human serum proteins of more than 5000 Icelanders over the age of 65. The composition of blood serum includes a complex regulatory network of proteins that are globally coordinated across most or all tissues. The authors identified modules and functional groups associated with disease and health outcomes and were able to link genetic variants to complex diseases. Science , this issue p. 769

Abstract Image-based profiling has emerged as a powerful technology for various steps in basic biological and pharmaceutical discovery, but the community has lacked a large, public reference set of data from chemical and genetic perturbations. Here we present data generated by the Joint Undertaking for Morphological Profiling (JUMP)-Cell Painting Consortium, a collaboration between 10 pharmaceutical companies, six supporting technology companies, and two non-profit partners. When completed, the dataset will contain images and profiles from the Cell Painting assay for over 116,750 unique compounds, over-expression of 12,602 genes, and knockout of 7,975 genes using CRISPR-Cas9, all in human osteosarcoma cells (U2OS). The dataset is estimated to be 115 TB in size and capturing 1.6 billion cells and their single-cell profiles. File quality control and upload is underway and will be completed over the coming months at the Cell Painting Gallery: https://registry.opendata.aws/cellpainting-gallery . A portal to visualize a subset of the data is available at https://phenaid.ardigen.com/jumpcpexplorer/ .

Induction of fetal hemoglobin (HbF) has been shown to be a viable therapeutic approach to treating sickle cell disease and potentially other β-hemoglobinopathies. To identify targets and target-modulating small molecules that enhance HbF expression, we engineered a human umbilical-derived erythroid progenitor reporter cell line (HUDEP2_HBG1_HiBiT) by genetically tagging a HiBiT peptide to the carboxyl (C)-terminus of the endogenous HBG1 gene locus, which codes for γ-globin protein, a component of HbF. Employing this reporter cell line, we performed a chemogenomic screen of approximately 5000 compounds annotated with known targets or mechanisms that have achieved clinical stage or approval by the US Food and Drug Administration (FDA). Among them, 10 compounds were confirmed for their ability to induce HbF in the HUDEP2 cell line. These include several known HbF inducers, such as pomalidomide, lenalidomide, decitabine, idoxuridine, and azacytidine, which validate the translational nature of this screening platform. We identified avadomide, autophinib, triciribine, and R574 as novel HbF inducers from these screens. We orthogonally confirmed HbF induction activities of the top hits in both parental HUDEP2 cells as well as in human primary CD34+ hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs). Further, we demonstrated that pomalidomide and avadomide, but not idoxuridine, induced HbF expression through downregulation of several transcriptional repressors such as BCL11A, ZBTB7A, and IKZF1. These studies demonstrate a robust phenotypic screening workflow that can be applied to large-scale small molecule profiling campaigns for the discovery of targets and pathways, as well as novel therapeutics for sickle cell disease and other β-hemoglobinopathies.

Abstract Intestinal fibrosis is a common complication of several enteropathies with inflammatory bowel disease being the major cause. The progression of intestinal fibrosis may lead to intestinal stenosis and obstruction. Even with an increased understanding of tissue fibrogenesis, there are no approved treatments for intestinal fibrosis. Historically, drug discovery for diseases like intestinal fibrosis has been impeded by a lack of screenable cellular phenotypes. Here we applied Cell Painting, a scalable image-based morphology assay, augmented with machine learning algorithms to identify small molecules that were able to morphologically reverse the activated fibrotic phenotype of intestinal myofibroblasts under pro-fibrotic TNFα stimulus. In combination with measuring CXCL10, a common pro-inflammatory cytokine in intestinal fibrosis, we carried out a high-throughput small molecule chemogenomics screen of approximately 5000 compounds with known targets or mechanisms, which have achieved clinical stage or approval by the FDA. Through the use of two divergent analytical methods, we identified several compounds and target classes that are potentially able to treat intestinal fibrosis. The phenotypic screening platform described here represents significant improvements in identifying a wide range of drug targets over conventional methods by integrating morphological analyses and artificial intelligence using pathologically-relevant cells and disease-relevant stimuli.

Abstract Induction of fetal hemoglobin (HbF) has been shown to be a viable therapeutic approach to treating sickle cell disease and potentially other β-hemoglobinopathies. To identify targets and target-modulating small molecules that enhance HbF expression, we engineered a human umbilical-derived erythroid progenitor reporter cell line (HUDEP2_HBG1_HiBiT) by genetically tagging a HiBiT peptide to the carboxyl (C)-terminus of the endogenous HBG1 gene locus, which codes for γ-globin protein, a component of HbF. Employing this reporter cell line, we performed a chemogenomic screen of approximately 5000 compounds annotated with known targets or mechanisms that have achieved clinical stage or approval by the US Food and Drug Administration (FDA). Among them, 10 compounds were confirmed for their ability to induce HbF in the HUDEP2 cell line. These include several known HbF inducers, such as pomalidomide, lenalidomide, decitabine, idoxuridine, and azacytidine, which validate the translational nature of this screening platform. We identified avadomide, autophinib, triciribine, and R574 as novel HbF inducers from these screens. We orthogonally confirmed HbF induction activities of the top hits in both parental HUDEP2 cells as well as in human primary CD34+ hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs). Further, we demonstrated that pomalidomide and avadomide, but not idoxuridine, induced HbF expression through downregulation of several transcriptional repressors such as BCL11A, ZBTB7A, and IKZF1. These studies demonstrate a robust phenotypic screening workflow that can be applied to large-scale small molecule profiling campaigns for the discovery of targets and pathways, as well as novel therapeutics of sickle cell disease and other β-hemoglobinopathies. Key Points Established a robust HbF luciferase reporter cell line to monitor endogenous γ-globin expression for a chemogenomic screen of compounds for the treatment of sickle cell disease. Lead hit compounds were mechanistically confirmed for their ability to decrease expression of several transcriptional repressors such as BCL11A, ZBTB7A, and IKZF1. Visual Abstract

Abstract Background Recent analysis of the human proteome via proteogenomics and ribosome profiling of the transcriptome revealed the existence of thousands of previously unannotated microprotein-coding small open reading frames (smORFs). Most functional microproteins were chosen for characterization because of their evolutionary conservation. However, one example of a non-conserved immunomodulatory microprotein in mice suggests that strict sequence conservation misses some intriguing microproteins. Results We examine the ability of gene regulation to identify human microproteins with potential roles in inflammation or fibrosis of the intestine. To do this, we collected ribosome profiling data of intestinal cell lines and peripheral blood mononuclear cells and used gene expression of microprotein-encoding transcripts to identify strongly regulated microproteins, including several examples of microproteins that are only conserved with primates. Conclusion This approach reveals a number of new microproteins worthy of additional functional characterization and provides a dataset that can be queried in different ways to find additional gut microproteins of interest.