An interaction network of the mammalian COP9 signalosome identifies Dda1 as a core subunit of multiple Cul4-based E3 ligases.

The COP9 signalosome (CSN) is an evolutionarily conserved macromolecular complex that interacts with cullin-RING E3 ligases (CRLs) and regulates their activity by hydrolyzing cullin-Nedd8 conjugates. The CSN sequesters inactive CRL4(Ddb2), which rapidly dissociates from the CSN upon DNA damage. Here we systematically define the protein interaction network of the mammalian CSN through mass spectrometric interrogation of the CSN subunits Csn1, Csn3, Csn4, Csn5, Csn6 and Csn7a. Notably, we identified a subset of CRL complexes that stably interact with the CSN and thus might similarly be activated by dissociation from the CSN in response to specific cues. In addition, we detected several new proteins in the CRL-CSN interactome, including Dda1, which we characterized as a chromatin-associated core subunit of multiple CRL4 proteins. Cells depleted of Dda1 spontaneously accumulated double-stranded DNA breaks in a similar way to Cul4A-, Cul4B- or Wdr23-depleted cells, indicating that Dda1 interacts physically and functionally with CRL4 complexes. This analysis identifies new components of the CRL family of E3 ligases and elaborates new connections between the CRL and CSN complexes.

Dynamic impacts of the inhibition of the molecular chaperone hsp90 on the T-cell proteome have implications for anti-cancer therapy.

The molecular chaperone Hsp90-dependent proteome represents a complex protein network of critical biological and medical relevance. Known to associate with proteins with a broad variety of functions termed clients, Hsp90 maintains key essential and oncogenic signalling pathways. Consequently, Hsp90 inhibitors are being tested as anti-cancer drugs. Using an integrated systematic approach to analyse the effects of Hsp90 inhibition in T-cells, we quantified differential changes in the Hsp90-dependent proteome, Hsp90 interactome, and a selection of the transcriptome. Kinetic behaviours in the Hsp90-dependent proteome were assessed using a novel pulse-chase strategy (Fierro-Monti et al., accompanying article), detecting effects on both protein stability and synthesis. Global and specific dynamic impacts, including proteostatic responses, are due to direct inhibition of Hsp90 as well as indirect effects. As a result, a decrease was detected in most proteins that changed their levels, including known Hsp90 clients. Most likely, consequences of the role of Hsp90 in gene expression determined a global reduction in net de novo protein synthesis. This decrease appeared to be greater in magnitude than a concomitantly observed global increase in protein decay rates. Several novel putative Hsp90 clients were validated, and interestingly, protein families with critical functions, particularly the Hsp90 family and cofactors themselves as well as protein kinases, displayed strongly increased decay rates due to Hsp90 inhibitor treatment. Remarkably, an upsurge in survival pathways, involving molecular chaperones and several oncoproteins, and decreased levels of some tumour suppressors, have implications for anti-cancer therapy with Hsp90 inhibitors. The diversity of global effects may represent a paradigm of mechanisms that are operating to shield cells from proteotoxic stress, by promoting pro-survival and anti-proliferative functions. Data are available via ProteomeXchange with identifier PXD000537.

L'évolution du phagosome

La phagocytose est un processus cellulaire par lequel de larges particules sont internalisées dans une vésicule, le phagosome. Lorsque formé, le phagosome acquiert ses propriétés fonctionnelles à travers un processus complexe de maturation nommé la biogénèse du phagolysosome. Cette voie implique une série d’interactions rapides avec les organelles de l’appareil endocytaire permettant la transformation graduelle du phagosome nouvellement formé en phagolysosome à partir duquel la dégradation protéolytique s’effectue. Chez l’amibe Dictyostelium discoideum, la phagocytose est employée pour ingérer les bactéries de son environnement afin de se nourrir alors que les organismes multicellulaires utilisent la phagocytose dans un but immunitaire, où des cellules spécialisées nommées phagocytes internalisent, tuent et dégradent les pathogènes envahissant de l’organisme et constitue la base de l’immunité innée. Chez les vertébrés à mâchoire cependant, la transformation des mécanismes moléculaires du phagosome en une organelle perfectionnée pour l’apprêtement et la présentation de peptides antigéniques place cette organelle au centre de l’immunité innée et de l’immunité acquise. Malgré le rôle crucial auquel participe cette organelle dans la réponse immunitaire, il existe peu de détails sur la composition protéique et l’organisation fonctionnelles du phagosome. Afin d’approfondir notre compréhension des divers aspects qui relient l’immunité innée et l’immunité acquise, il devient essentiel d’élargir nos connaissances sur les fonctions moléculaire qui sont recrutées au phagosome. Le profilage par protéomique à haut débit de phagosomes isolés fut extrêmement utile dans la détermination de la composition moléculaire de cette organelle. Des études provenant de notre laboratoire ont révélé les premières listes protéiques identifiées à partir de phagosomes murins sans toutefois déterminer le ou les rôle(s) de ces protéines lors du processus de la phagocytose (Brunet et al, 2003; Garin et al, 2001). Au cours de la première étude de cette thèse (Stuart et al, 2007), nous avons entrepris la caractérisation fonctionnelle du protéome entier du phagosome de la drosophile en combinant diverses techniques d’analyses à haut débit (protéomique, réseaux d’intéractions protéique et ARN interférent). En utilisant cette stratégie, nous avons identifié 617 protéines phagosomales par spectrométrie de masse à partir desquelles nous avons accru cette liste en construisant des réseaux d’interactions protéine-protéine. La contribution de chaque protéine à l’internalisation de bactéries fut ensuite testée et validée par ARN interférent à haut débit et nous a amené à identifier un nouveau régulateur de la phagocytose, le complexe de l’exocyst. En appliquant ce modèle combinatoire de biologie systémique, nous démontrons la puissance et l’efficacité de cette approche dans l’étude de processus cellulaire complexe tout en créant un cadre à partir duquel il est possible d’approfondir nos connaissances sur les différents mécanismes de la phagocytose. Lors du 2e article de cette thèse (Boulais et al, 2010), nous avons entrepris la caractérisation moléculaire des étapes évolutives ayant contribué au remodelage des propriétés fonctionnelles de la phagocytose au cours de l’évolution. Pour ce faire, nous avons isolé des phagosomes à partir de trois organismes distants (l’amibe Dictyostelium discoideum, la mouche à fruit Drosophila melanogaster et la souris Mus musculus) qui utilisent la phagocytose à des fins différentes. En appliquant une approche protéomique à grande échelle pour identifier et comparer le protéome et phosphoprotéome des phagosomes de ces trois espèces, nous avons identifié un cœur protéique commun à partir duquel les fonctions immunitaires du phagosome se seraient développées. Au cours de ce développement fonctionnel, nos données indiquent que le protéome du phagosome fut largement remodelé lors de deux périodes de duplication de gènes coïncidant avec l’émergence de l’immunité innée et acquise. De plus, notre étude a aussi caractérisée en détail l’acquisition de nouvelles protéines ainsi que le remodelage significatif du phosphoprotéome du phagosome au niveau des constituants du cœur protéique ancien de cette organelle. Nous présentons donc la première étude approfondie des changements qui ont engendré la transformation d’un compartiment phagotrophe à une organelle entièrement apte pour la présentation antigénique.

The regulatory roles of APE1 and Prdx1 interaction

L’apurinic/apyrimidic endonuclease 1 (APE1) est une protéine multifonctionnelle qui joue un rôle important dans la voie de réparation de l’ADN par excision de base. Elle sert également de coactivateur de transcription et est aussi impliquée dans le métabolisme de l’ARN et la régulation redox. APE1 peut cliver les sites AP ainsi que retirer des groupements, sur des extrémités 3’ créées suite à des bris simple brin, qui bloquent les autres enzymes de réparation, permettant de poursuivre la réparation de l’ADN, puisqu’elle possède plusieurs activités de réparation de l’ADN comme une activité phosphodiestérase 3’ et une activité exonucléase 3’→5’. Les cellules de mammifères ayant subi un knockdown d’APE1 présentent une grande sensibilité face à de nombreux agents génotoxiques. APE1 ne possède qu’une seule cystéine située au 65e acide aminé. Celle-ci est nécessaire pour maintenir l’état de réduction de nombreux activateurs de transcription tels que p53, NF-κB, AP-1, c-Jun at c-Fos. Ainsi, elle se retrouve impliquée dans la régulation de l’expression génique. APE1 passe également à travers au moins 4 types de modifications post-traductionnelles : l’acétylation, la désacétylation, la phosphorylation et l’ubiquitylation. La façon dont APE1 est recrutée pour accomplir ses différentes fonctions biologiques demeure un mystère, bien que cela puisse être relié à sa capacité d’interaction avec de multiples partenaires différents. Sous des conditions de croissance normales, il a été démontré qu’APE1 interagit avec de nombreux partenaires impliqués dans de multiples fonctions. Nous émettons l’hypothèse que l’état d’oxydation d’APE1 est ce qui contrôle les partenaires avec lesquels la protéine interagira, lui permettant d’accomplir des fonctions précises. Dans cette étude nous démontrons que le peroxyde d’hydrogène altère le réseau d’interactions d’APE1. Un nouveau partenaire d’interaction d’APE1, Prdx1, un membre de la famille des peroxirédoxines responsable de récupérer le peroxyde d’hydrogène, est caractérisé. Nous démontrons qu’un knockdown de Prdx1 n’affecte pas l’activité de réparation de l’ADN d’APE1, mais altère sa détection et sa distribution cellulaire à l’intérieur des cellules HepG2 conduisant à une induction accrue de l’interleukine 8 (IL-8). L’IL8 est une chimiokine impliquée dans le stress cellulaire en conditions physiologiques et en cas de stress oxydatif. Il a été démontré que l’induction de l’IL-8 est dépendante d’APE1 indiquant que Prdx1 pourrait réguler l’activité transcriptionnelle d’APE1. Il a été découvert que Prdx1 est impliquée dans la régulation redox suite à une réponse initiée par le peroxyde d’hydrogène. Ce dernier possède un rôle important comme molécule de signalisation dans de nombreux processus biologiques. Nous montrons que Prdx1 est nécessaire pour réduire APE1 dans le cytoplasme en réponse à la présence de H2O2. En présence de Prdx1, la fraction d’APE1 présent dans le cytoplasme est réduite suite à une exposition au peroxyde d’hydrogène, et Prdx1 est hyperoxydé suite à l’interaction entre les deux molécules. Cela suggère que le signal, que produit le peroxyde d’hydrogène, sur APE1 passe par Prdx1. Un knockdown d’APE1 diminue la conversion de la forme dimérique de Prdx1 vers la forme monomérique. Cette observation implique qu’APE1 pourrait être impliquée dans la régulation de l’activité catalytique de Prdx1 en accélérant son hyperoxydation.

Searching for novel gene functions in yeast : identification of thousands of novel molecular interactions by protein-fragment complementation assay followed by automated gene function prediction and high-throughput lipidomics

La compréhension de processus biologiques complexes requiert des approches expérimentales et informatiques sophistiquées. Les récents progrès dans le domaine des stratégies génomiques fonctionnelles mettent dorénavant à notre disposition de puissants outils de collecte de données sur l’interconnectivité des gènes, des protéines et des petites molécules, dans le but d’étudier les principes organisationnels de leurs réseaux cellulaires. L’intégration de ces connaissances au sein d’un cadre de référence en biologie systémique permettrait la prédiction de nouvelles fonctions de gènes qui demeurent non caractérisées à ce jour. Afin de réaliser de telles prédictions à l’échelle génomique chez la levure Saccharomyces cerevisiae, nous avons développé une stratégie innovatrice qui combine le criblage interactomique à haut débit des interactions protéines-protéines, la prédiction de la fonction des gènes in silico ainsi que la validation de ces prédictions avec la lipidomique à haut débit. D’abord, nous avons exécuté un dépistage à grande échelle des interactions protéines-protéines à l’aide de la complémentation de fragments protéiques. Cette méthode a permis de déceler des interactions in vivo entre les protéines exprimées par leurs promoteurs naturels. De plus, aucun biais lié aux interactions des membranes n’a pu être mis en évidence avec cette méthode, comparativement aux autres techniques existantes qui décèlent les interactions protéines-protéines. Conséquemment, nous avons découvert plusieurs nouvelles interactions et nous avons augmenté la couverture d’un interactome d’homéostasie lipidique dont la compréhension demeure encore incomplète à ce jour. Par la suite, nous avons appliqué un algorithme d’apprentissage afin d’identifier huit gènes non caractérisés ayant un rôle potentiel dans le métabolisme des lipides. Finalement, nous avons étudié si ces gènes et un groupe de régulateurs transcriptionnels distincts, non préalablement impliqués avec les lipides, avaient un rôle dans l’homéostasie des lipides. Dans ce but, nous avons analysé les lipidomes des délétions mutantes de gènes sélectionnés. Afin d’examiner une grande quantité de souches, nous avons développé une plateforme à haut débit pour le criblage lipidomique à contenu élevé des bibliothèques de levures mutantes. Cette plateforme consiste en la spectrométrie de masse à haute resolution Orbitrap et en un cadre de traitement des données dédié et supportant le phénotypage des lipides de centaines de mutations de Saccharomyces cerevisiae. Les méthodes expérimentales en lipidomiques ont confirmé les prédictions fonctionnelles en démontrant certaines différences au sein des phénotypes métaboliques lipidiques des délétions mutantes ayant une absence des gènes YBR141C et YJR015W, connus pour leur implication dans le métabolisme des lipides. Une altération du phénotype lipidique a également été observé pour une délétion mutante du facteur de transcription KAR4 qui n’avait pas été auparavant lié au métabolisme lipidique. Tous ces résultats démontrent qu’un processus qui intègre l’acquisition de nouvelles interactions moléculaires, la prédiction informatique des fonctions des gènes et une plateforme lipidomique innovatrice à haut débit , constitue un ajout important aux méthodologies existantes en biologie systémique. Les développements en méthodologies génomiques fonctionnelles et en technologies lipidomiques fournissent donc de nouveaux moyens pour étudier les réseaux biologiques des eucaryotes supérieurs, incluant les mammifères. Par conséquent, le stratégie présenté ici détient un potentiel d’application au sein d’organismes plus complexes.

The nuclear pore complex and its transporters : from virus-host interactors to subverting the innate antiviral immunity

Les virus ont besoin d’interagir avec des facteurs cellulaires pour se répliquer et se propager dans les cellules d’hôtes. Une étude de l'interactome des protéines du virus d'hépatite C (VHC) par Germain et al. (2014) a permis d'élucider de nouvelles interactions virus-hôte. L'étude a également démontré que la majorité des facteurs de l'hôte n'avaient pas d'effet sur la réplication du virus. Ces travaux suggèrent que la majorité des protéines ont un rôle dans d'autres processus cellulaires tel que la réponse innée antivirale et ciblées pas le virus dans des mécanismes d'évasion immune. Pour tester cette hypothèse, 132 interactant virus-hôtes ont été sélectionnés et évalués par silençage génique dans un criblage d'ARNi sur la production interferon-beta (IFNB1). Nous avons ainsi observé que les réductions de l'expression de 53 interactants virus-hôte modulent la réponse antivirale innée. Une étude dans les termes de gène d'ontologie (GO) démontre un enrichissement de ces protéines au transport nucléocytoplasmique et au complexe du pore nucléaire. De plus, les gènes associés avec ces termes (CSE1L, KPNB1, RAN, TNPO1 et XPO1) ont été caractérisé comme des interactant de la protéine NS3/4A par Germain et al. (2014), et comme des régulateurs positives de la réponse innée antivirale. Comme le VHC se réplique dans le cytoplasme, nous proposons que ces interactions à des protéines associées avec le noyau confèrent un avantage de réplication et bénéficient au virus en interférant avec des processus cellulaire tel que la réponse innée. Cette réponse innée antivirale requiert la translocation nucléaire des facteurs transcriptionnelles IRF3 et NF-κB p65 pour la production des IFNs de type I. Un essai de microscopie a été développé afin d'évaluer l’effet du silençage de 60 gènes exprimant des protéines associés au complexe du pore nucléaire et au transport nucléocytoplasmique sur la translocation d’IRF3 et NF-κB p65 par un criblage ARNi lors d’une cinétique d'infection virale. En conclusion, l’étude démontre qu’il y a plusieurs protéines qui sont impliqués dans le transport de ces facteurs transcriptionnelles pendant une infection virale et peut affecter la production IFNB1 à différents niveaux de la réponse d'immunité antivirale. L'étude aussi suggère que l'effet de ces facteurs de transport sur la réponse innée est peut être un mécanisme d'évasion par des virus comme VHC.

THE GLYCOPROTEINS OF PORCINE REPRODUCTIVE AND RESPIRATORY SYNDROME VIRUS AND THEIR ROLE IN INFECTION AND IMMUNITY

The porcine reproductive and respiratory syndrome virus (PRRSV) is an economically important pathogen of swine and is known to cause abortion and infertility in pregnant sows and respiratory distress in piglets. PRRSV contains a major glycoprotein (GP5) and three minor glycoproteins (GP2a, GP3, and GP4) on the virion envelope, all of which are required for infectious virus production. To study their interactions amongst each other and with a cellular receptor for PRRSV, CD163, I cloned each of the viral glycoproteins and CD163 in various expression vectors. My studies have shown that while the GP2a, GP3, and GP4 are co-translationally glycosylated, the GP5 is post-translationally glycosylated. By using co-immunoprecipitation (co-IP) assays, strong interaction was demonstrated between GP4 and GP5 proteins, although weak interactions among the other envelope glycoproteins were also detected. Further, GP4 was found to mediate interactions leading to formation of multiprotein glycoprotein complex. My results also show that GP2a and GP4 proteins are the only two GPs that specifically interact with the CD163 molecule and that glycosylation of these GPs is required for efficient interaction. Based on these studies, I have developed an interactome map of the viral GPs and CD163 and have proposed a model of the viral glycoprotein complex and its interaction with CD163. Studies reported here also show that glycan addition at residue 184 (N184) of GP2a, and residues N42, N50, and N131 of GP3 is essential for recovery of infectious virus. Although single site glycosylation mutants of GP4 had no effect on infectious virus production, introduction of double mutations was lethal. The loss of glycan moieties of GP2a, GP3, and GP4 proteins had no effect on host neutralizing antibody production. Overall, I conclude that the PRRSV glycoproteins are co-translationally and post-translationally glycosylated, the GP4 protein is central to mediating interglycoprotein interactions, and along with GP2a, serves as the viral attachment protein that is responsible for interactions with the viral receptor, CD163. Further, glycosylation of GP2a, GP3, and GP4 proteins is required for infectious virus production, efficient interaction with CD163, but does not play any role in neutralizing antibody response in infected animals.

Assessing the gain of biological data integration in gene networks inference

Background: A current challenge in gene annotation is to define the gene function in the context of the network of relationships instead of using single genes. The inference of gene networks (GNs) has emerged as an approach to better understand the biology of the system and to study how several components of this network interact with each other and keep their functions stable. However, in general there is no sufficient data to accurately recover the GNs from their expression levels leading to the curse of dimensionality, in which the number of variables is higher than samples. One way to mitigate this problem is to integrate biological data instead of using only the expression profiles in the inference process. Nowadays, the use of several biological information in inference methods had a significant increase in order to better recover the connections between genes and reduce the false positives. What makes this strategy so interesting is the possibility of confirming the known connections through the included biological data, and the possibility of discovering new relationships between genes when observed the expression data. Although several works in data integration have increased the performance of the network inference methods, the real contribution of adding each type of biological information in the obtained improvement is not clear. Methods: We propose a methodology to include biological information into an inference algorithm in order to assess its prediction gain by using biological information and expression profile together. We also evaluated and compared the gain of adding four types of biological information: (a) protein-protein interaction, (b) Rosetta stone fusion proteins, (c) KEGG and (d) KEGG+GO. Results and conclusions: This work presents a first comparison of the gain in the use of prior biological information in the inference of GNs by considering the eukaryote (P. falciparum) organism. Our results indicates that information based on direct interaction can produce a higher improvement in the gain than data about a less specific relationship as GO or KEGG. Also, as expected, the results show that the use of biological information is a very important approach for the improvement of the inference. We also compared the gain in the inference of the global network and only the hubs. The results indicates that the use of biological information can improve the identification of the most connected proteins.

Natural intracellular peptides can modulate the interactions of mouse brain proteins and thimet oligopeptidase with 14-3-3e and calmodulin

Protein interactions are crucial for most cellular process. Thus, rationally designed peptides that act as competitive assembly inhibitors of protein interactions by mimicking specific, determined structural elements have been extensively used in clinical and basic research. Recently, mammalian cells have been shown to contain a large number of intracellular peptides of unknown function. Here, we investigate the role of several of these natural intracellular peptides as putative modulators of protein interactions that are related to Ca2+-calmodulin (CaM) and 14-3-3 epsilon, which are proteins that are related to the spatial organization of signal transduction within cells. At concentrations of 1-50 mu M, most of the peptides that are investigated in this study modulate the interactions of CaM and 14-3-3 epsilon with proteins from the mouse brain cytoplasm or recombinant thimet oligopeptidase (EP24.15) in vitro, as measured by surface plasmon resonance. One of these peptides (VFDVELL; VFD-7) increases the cytosolic Ca2+ concentration in a dose-dependent manner but only if introduced into HEK293 cells, which suggests a wide biological function of this peptide. Therefore, it is exciting to suggest that natural intracellular peptides are novel modulators of protein interactions and have biological functions within cells.

Purificação e caracterização da VDAC de mitocôndrias corticais aviares: identificação de modificações pós-traducionais nas porinas neuronais murinas e aviares

A VDAC é uma porina presente na MME cuja função é crucial no metabolismo energético, sobrevivência e morte celular. A caracterização da VDAC torna-se importante para a compreensão das inter-relações da mitocôndria com os diferentes componentes citosólicos, tais como a HK. A ligação HK-VDAC favorece a utilização do ATP intramitocondrial em células neuronais, a HK cerebral pode interagir de formas diferentes com a VDAC, o que resulta em diferentes sítios de ligação (sítios A e B). Os variados papéis metabólicos das isoformas da VDAC podem ser explicados pela presença de alterações pós-traducionais. No presente trabalho purificamos a VDAC1 mitocondrial neuronal proveniente de cérebro aviar. Paralelamente, comprovamos que a presença de múltiplas formas das VDACs 1 e 2 em cérebros murino e aviar, seja devida à presença de modificações pós-traducionais, nomeadamente a fosforilação. A proteína isolada apresentou peso molecular de 30KDa. Quando submetida à eletroforese e posteriormente à coloração para a identificação de fosfoproteínas, a mesma mostrou-se desfosforilada. O conhecimento da presença, ou ausência de fosforilação das VDACs, reside na importância de estabelecer-se as bases moleculares ligadas à existência de sítios A e B nas mitocôndrias neuronais.

Protein Disulfide Isomerase Is Required for Platelet-derived Growth Factor-induced Vascular Smooth Muscle Cell Migration, Nox1 NADPH Oxidase Expression, and RhoGTPase Activation

Vascular Smooth Muscle Cell (VSMC) migration into vessel neointima is a therapeutic target for atherosclerosis and postinjury restenosis. Nox1 NADPH oxidase-derived oxidants synergize with growth factors to support VSMC migration. We previously described the interaction between NADPH oxidases and the endoplasmic reticulum redox chaperone protein disulfide isomerase (PDI) in many cell types. However, physiological implications, as well as mechanisms of such association, are yet unclear. We show here that platelet-derived growth factor (PDGF) promoted subcellular redistribution of PDI concomitant to Nox1-dependent reactive oxygen species production and that siRNA-mediated PDI silencing inhibited such reactive oxygen species production, while nearly totally suppressing the increase in Nox1 expression, with no change in Nox4. Furthermore, PDI silencing inhibited PDGF-induced VSMC migration assessed by distinct methods, whereas PDI overexpression increased spontaneous basal VSMC migration. To address possible mechanisms of PDI effects, we searched for PDI interactome by systems biology analysis of physical protein-protein interaction networks, which indicated convergence with small GTPases and their regulator RhoGDI. PDI silencing decreased PDGF-induced Rac1 and RhoA activities, without changing their expression. PDI co-immunoprecipitated with RhoGDI at base line, whereas such association was decreased after PDGF. Also, PDI co-immunoprecipitated with Rac1 and RhoA in a PDGF-independent way and displayed detectable spots of perinuclear co-localization with Rac1 and RhoGDI. Moreover, PDI silencing promoted strong cytoskeletal changes: disorganization of stress fibers, decreased number of focal adhesions, and reduced number of RhoGDI-containing vesicular recycling adhesion structures. Overall, these data suggest that PDI is required to support Nox1/redox and GTPase-dependent VSMC migration.

Topological aspects of the human protein interaction network

It is currently widely accepted that the understanding of complex cell functions depends on an integrated network theoretical approach and not on an isolated view of the different molecular agents. Aim of this thesis was the examination of topological properties that mirror known biological aspects by depicting the human protein network with methods from graph- and network theory. The presented network is a partial human interactome of 9222 proteins and 36324 interactions, consisting of single interactions reliably extracted from peer-reviewed scientific publications. In general, one can focus on intra- or intermodular characteristics, where a functional module is defined as "a discrete entity whose function is separable from those of other modules". It is found that the presented human network is also scale-free and hierarchically organised, as shown for yeast networks before. The interactome also exhibits proteins with high betweenness and low connectivity which are biologically analyzed and interpreted here as shuttling proteins between organelles (e.g. ER to Golgi, internal ER protein translocation, peroxisomal import, nuclear pores import/export) for the first time. As an optimisation for finding proteins that connect modules, a new method is developed here based on proteins located between highly clustered regions, rather than regarding highly connected regions. As a proof of principle, the Mediator complex is found in first place, the prime example for a connector complex. Focusing on intramodular aspects, the measurement of k-clique communities discriminates overlapping modules very well. Twenty of the largest identified modules are analysed in detail and annotated to known biological structures (e.g. proteasome, the NFκB-, TGF-β complex). Additionally, two large and highly interconnected modules for signal transducer and transcription factor proteins are revealed, separated by known shuttling proteins. These proteins yield also the highest number of redundant shortcuts (by calculating the skeleton), exhibit the highest numbers of interactions and might constitute highly interconnected but spatially separated rich-clubs either for signal transduction or for transcription factors. This design principle allows manifold regulatory events for signal transduction and enables a high diversity of transcription events in the nucleus by a limited set of proteins. Altogether, biological aspects are mirrored by pure topological features, leading to a new view and to new methods that assist the annotation of proteins to biological functions, structures and subcellular localisations. As the human protein network is one of the most complex networks at all, these results will be fruitful for other fields of network theory and will help understanding complex network functions in general.

When small non-coding RNAs meet the ribosome: Tuning the translational machinery

The functions of ribosomes in translation are complex and involve different types of activities critical for decoding the genetic code, linkage of amino acids via amide bonds to form polypeptide chains, as well as the release and proper targeting of the synthesized protein. Non-protein-coding RNAs (ncRNAs) have been recognized to be crucial in establishing regulatory networks.1 However all of the recently discovered ncRNAs involved in translation regulation target the mRNA rather than the ribosome. The main goal of this project is to identify potential novel ncRNAs that directly bind and possibly regulate the ribosome during protein biosynthesis. To address this question we applied various stress conditions to the archaeal model organism Haloferax volcanii and deep-sequenced the ribosome-associated small ncRNA interactome. In total we identified 6.250 ncRNA candidates. Significantly, we observed the emersed presence of tRNA-derived fragments (tRFs). These tRFs have been identified in all domains of life and represent a growing, yet functionally poorly understood, class of ncRNAs. Here we present evidence that tRFs from H. volcanii directly bind to ribosomes. In the presented genomic screen of the ribosome-associated RNome a 26 residue long fragment originating from the 5’ part of valine tRNA was by far the most abundant tRF. The Val-tRF is processed in a stress- dependent manner and was found to primarily target the small ribosomal subunit in vitro and in vivo. As a consequence of ribosome binding, Val-tRF reduces protein synthesis by interfering with peptidyl transferase activity. Therefore this tRF functions as ribosome-bound small ncRNA capable of regulating gene expression in H. volcanii under environmental stress conditions probably by fine-tuning the rate of protein production.2 Currently we are investigating the binding site of this tRF on the 30S subunit in more detail.

Unravelling the multiple roles of FUS in RNA processing and on ALS pathogenesis

Two genes with related functions in RNA biogenesis were recently reported in patients with familial ALS: the FUS/TLS gene at the ALS6 locus and the TARDBP/TDP-43 gene at the ALS10 locus [1, 2]. FUS has been implicated to function in several steps of gene expression, including transcription regulation [3], RNA splicing [4, 5], mRNA transport in neurons [6] and, interestingly, in microRNA (miRNA) processing [7]. The goal of this project is to identify the molecular mechanisms leading to the development of FUS mutations-associated ALS. Specifically, we want to test the hypothesis that these FUS mutations misregulate miRNA levels that in turn affect the expression of genes critical for motor neuron survival. In addition we want to test whether misregulation of the miRNA profile is a common feature in ALS. We have performed immunoprecipitations from total extracts of 293T cells expressing FLAG-tagged FUS to characterize its interactome by mass spectrometry. This proteomic study not only revealed a strong interaction of FUS with splicing factors, but shows that FUS might be involved in many, quite different pathways. To map which parts of the FUS protein contribute to the interaction with splicing factors, we have performed a set of experiments with a series of missense and deletion mutants. With this approach, we will not only gain information on the binding partners of FUS along with a map of the required domains for the interactions, but it will also help to unravel whether certain ALS-associated FUS mutations lead to a loss or gain of function due to gain or loss of interactors. Additionally, we have performed quantitative interactomics using SILAC to identify interactome differences of ALS-associated FUS mutants. To this end we have performed immunoprecipitations of total extract from 293T cells, stably transduced with constructs expressing wild-type FUS-FLAG as well as three different ALS-associated mutants (G156E, R244C, P525L). First results indicate striking differences in the interactome with certain RNA binding proteins. We are now validating these candidates in order to reveal the importance of these differential interactions in the context of ALS.

Role of MicroRNA Modulation in the Interferon-α/Ribavirin Suppression of HIV-1 In Vivo.

BACKGROUND Interferon-α (IFN-α) treatment suppresses HIV-1 viremia and reduces the size of the HIV-1 latent reservoir. Therefore, investigation of the molecular and immunologic effects of IFN-α may provide insights that contribute to the development of novel prophylactic, therapeutic and curative strategies for HIV-1 infection. In this study, we hypothesized that microRNAs (miRNAs) contribute to the IFN-α-mediated suppression of HIV-1. To inform the development of novel miRNA-based antiretroviral strategies, we investigated the effects of exogenous IFN-α treatment on global miRNA expression profile, HIV-1 viremia, and potential regulatory networks between miRNAs and cell-intrinsic anti-HIV-1 host factors in vivo. METHODS Global miRNA expression was examined in longitudinal PBMC samples obtained from seven HIV/HCV-coinfected, antiretroviral therapy-naïve individuals before, during, and after pegylated interferon-α/ribavirin therapy (IFN-α/RBV). We implemented novel hybrid computational-empirical approaches to characterize regulatory networks between miRNAs and anti-HIV-1 host restriction factors. RESULTS miR-422a was the only miRNA significantly modulated by IFN-α/RBV in vivo (p<0.0001, paired t test; FDR<0.037). Our interactome mapping revealed extensive regulatory involvement of miR-422a in p53-dependent apoptotic and pyroptotic pathways. Based on sequence homology and inverse expression relationships, 29 unique miRNAs may regulate anti-HIV-1 restriction factor expression in vivo. CONCLUSIONS The specific reduction of miR-422a is associated with exogenous IFN-α treatment, and likely contributes to the IFN-α suppression of HIV-1 through the enhancement of anti-HIV-1 restriction factor expression and regulation of genes involved in programmed cell death. Moreover, our regulatory network analysis presents additional candidate miRNAs that may be targeted to enhance anti-HIV-1 restriction factor expression in vivo.