Mapping ADP-ribosylation by PARPs During many cell processes, ADP-ribose is transferred from NAD + onto protein substrates by poly(ADP-ribose) polymerases (PARPs). Gibson et al. developed a method to track ribose transfer events and mapped hundreds of sites of ADP-ribosylation for PARPs 1, 2, and 3 across the proteome and genome. One PARP-1 target is NELF, a protein complex that regulates pausing by RNA polymerase II. If NELF is ribosylated, pausing is released and productive transcription elongation resumes. Science , this issue p. 45

SARS-CoV-2 is the viral pathogen causing the COVID19 global pandemic. Consequently, much research has gone into the development of pre-clinical assays for the discovery of new or repurposing of FDA-approved therapies. Preventing viral entry into a host cell would be an effective antiviral strategy. One mechanism for SARS-CoV-2 entry occurs when the spike protein on the surface of SARS-CoV-2 binds to an ACE2 receptor followed by cleavage at two cut sites ("priming") that causes a conformational change allowing for viral and host membrane fusion. TMPRSS2 has an extracellular protease domain capable of cleaving the spike protein to initiate membrane fusion. A validated inhibitor of TMPRSS2 protease activity would be a valuable tool for studying the impact TMPRSS2 has in viral entry and potentially be an effective antiviral therapeutic. To enable inhibitor discovery and profiling of FDA-approved therapeutics, we describe an assay for the biochemical screening of recombinant TMPRSS2 suitable for high throughput application. We demonstrate effectiveness to quantify inhibition down to subnanomolar concentrations by assessing the inhibition of camostat, nafamostat and gabexate, clinically approved agents in Japan. Also, we profiled a camostat metabolite, FOY-251, and bromhexine hydrochloride, an FDA-approved mucolytic cough suppressant. The rank order potency for the compounds tested are: nafamostat (IC 50 = 0.27 nM), camostat (IC 50 = 6.2 nM), FOY-251 (IC 50 = 33.3 nM) and gabexate (IC 50 = 130 nM). Bromhexine hydrochloride showed no inhibition of TMPRSS2. Further profiling of camostat, nafamostat and gabexate against a panel of recombinant proteases provides insight into selectivity and potency.

SARS-CoV-2 is the causative viral pathogen driving the COVID-19 pandemic that prompted an immediate global response to the development of vaccines and antiviral therapeutics. For antiviral therapeutics, drug repurposing allowed for rapid movement of existing clinical candidates and therapies into human clinical trials to be tested as COVID-19 therapies. One effective antiviral treatment strategy used early in symptom onset is to prevent viral entry. SARS-CoV-2 enters ACE2-expressing cells when the receptor-binding domain of the spike protein on the surface of SARS-CoV-2 binds to ACE2 followed by cleavage at two cut sites on the spike protein. TMPRSS2 has a protease domain capable of cleaving the two cut sites; therefore, a molecule capable of inhibiting the protease activity of TMPRSS2 could be a valuable antiviral therapy. Initially, we used a fluorogenic high-throughput screening assay for the biochemical screening of 6030 compounds in NCATS annotated libraries. Then, we developed an orthogonal biochemical assay that uses mass spectrometry detection of product formation to ensure that hits from the primary screen are not assay artifacts from the fluorescent detection of product formation. Finally, we assessed the hits from the biochemical screening in a cell-based SARS-CoV-2 pseudotyped particle entry assay. Of the six molecules advanced for further studies, two are approved drugs in Japan (camostat and nafamostat), two have entered clinical trials (PCI-27483 and otamixaban), while the other two molecules are peptidomimetic inhibitors of TMPRSS2 taken from the literature that have not advanced into clinical trials (compounds 92 and 114). This work demonstrates a suite of assays for the discovery and development of new inhibitors of TMPRSS2.

The National Center for Advancing Translational Sciences (NCATS) has developed an online open science data portal for its COVID-19 drug repurposing campaign, named OpenData, with the goal of making data across a range of SARS-CoV-2 related assays available in real-time. The assays developed cover a wide spectrum of the SARS-CoV-2 life cycle, including both viral and human (host) targets. In total, over 10,000 compounds are being tested in full concentration-response ranges from across multiple annotated small molecule libraries, including approved drug, repurposing candidates and experimental therapeutics designed to modulate a wide range of cellular targets. The goal is to support research scientists, clinical investigators and public health officials through open data sharing and analysis tools to expedite the development of SARS-CoV-2 interventions, and to prioritize promising compounds and repurposed drugs for further development in treating COVID-19.

Abstract Robust, generalizable approaches to identify compounds efficiently with undesirable mechanisms of action in complex cellular assays remain elusive. Such a process would be useful for hit triage during high-throughput screening and, ultimately, predictive toxicology during drug development. We generated cell painting and cellular health profiles for 218 prototypical cytotoxic and nuisance compounds in U-2 OS cells in a concentration-response format. A diversity of compounds causing cellular damage produced bioactive cell painting morphologies, including cytoskeletal poisons, genotoxins, nonspecific electrophiles, and redox-active compounds. Further, we show that lower quality lysine acetyltransferase inhibitors and nonspecific electrophiles can be distinguished from more selective counterparts. We propose that the purposeful inclusion of cytotoxic and nuisance reference compounds such as those profiled in this Resource will help with assay optimization and compound prioritization in complex cellular assays like cell painting.

Lysine acetyltransferases (KATs) play a critical role in the regulation of transcription and other genomic functions. However, a persistent challenge is the development of assays capable of defining KAT activity directly in living cells. Towards this goal, here we report the application of a previously reported dCas9-p300 fusion as a transcriptional reporter of KAT activity. First we benchmark the activity of dCas9-p300 relative to other dCas9-based transcriptional activators, and demonstrate its compatibility with second generation short guide RNA architectures. Next, we repurpose this technology to rapidly identify small molecule inhibitors of acetylation-dependent gene expression. These studies validate a recently reported p300 inhibitor chemotype, and reveal a role for p300s bromodomain in dCas9-p300-mediated transcriptional activation. Comparison with other CRISPR-Cas9 transcriptional activators highlights the inherent ligand tuneable nature of dCas9-p300 fusions, suggesting new opportunities for orthogonal gene expression control. Overall, our studies highlight dCas9-p300 as a powerful tool for studying gene expression mechanisms in which acetylation plays a causal role, and provide a foundation for future applications requiring spatiotemporal control over acetylation at specific genomic loci.

Hereditary cancer disorders often provide an important window into novel mechanisms supporting tumor growth and survival. Understanding these mechanisms and developing biomarkers to identify their presence thus represents a vital goal. Towards this goal, here we report a chemoproteomic map of the covalent targets of fumarate, an oncometabolite whose accumulation marks the genetic cancer predisposition syndrome hereditary leiomyomatosis and renal cell carcinoma (HLRCC). First, we validate the ability of known and novel chemoproteomic probes to report on concentration-dependent fumarate reactivity in vitro. Next, we apply these probes in concert with LC-MS/MS to identify cysteine residues sensitive to either fumarate treatment or fumarate hydratase (FH) mutation in untransformed and HLRCC cell models, respectively. Mining this data to understand the structural determinants of fumarate reactivity led to the discovery of an unexpected anti-correlation with nucleophilicity, indicating a novel influence of pH on fumarate-cysteine interactions. Finally, we show that many fumarate-sensitive and FH-regulated cysteines are found in functional protein domains, and perform functional studies of a fumarate-sensitive cysteine in SMARCC1 that lies at a key protein-protein interface in the SWI-SNF tumor suppressor complex. Our studies provide a powerful resource for understanding the influence of fumarate on reactive cysteine residues, and lay the foundation for future efforts to exploit this distinct aspect of oncometabolism for cancer diagnosis and therapy.

Since it was proposed as a potential host-directed antiviral agent for SARS-CoV-2, the antiparasitic drug ivermectin has been investigated thoroughly in clinical trials, which have provided insufficient support for its clinical efficacy. To examine the potential for ivermectin to be repurposed as an antiviral agent, we therefore undertook a series of preclinical studies. Consistent with early reports, ivermectin decreased SARS-CoV-2 viral burden in in vitro models at low micromolar concentrations, five- to ten-fold higher than the reported toxic clinical concentration. At similar concentrations, ivermectin also decreased cell viability and increased biomarkers of cytotoxicity and apoptosis. Further mechanistic and profiling studies revealed that ivermectin nonspecifically perturbs membrane bilayers at the same concentrations where it decreases the SARS-CoV-2 viral burden, resulting in nonspecific modulation of membrane-based targets such as G-protein coupled receptors and ion channels. These results suggest that a primary molecular mechanism for the in vitro antiviral activity of ivermectin may be nonspecific membrane perturbation, indicating that ivermectin is unlikely to be translatable into a safe and effective antiviral agent. These results and experimental workflow provide a useful paradigm for performing preclinical studies on (pandemic-related) drug repurposing candidates.

The SARS-CoV-2 pandemic has prompted researchers to pivot their efforts to finding antiviral compounds and vaccines. In this study, we focused on the human host cell transmembrane protease serine 2 (TMPRSS2), which plays an important role in the viral life cycle by cleaving the spike protein to initiate membrane fusion. TMPRSS2 is an attractive target and has received attention for the development of drugs against SARS and MERS. Starting with comparative structural modeling and binding model analysis, we developed an efficient pharmacophore-based approach and applied a large-scale in silico database screening for small molecule inhibitors against TMPRSS2. The hits were evaluated in the TMPRSS2 biochemical assay and the SARS-CoV-2 pseudotyped particle (PP) entry assay. A number of novel inhibitors were identified, providing starting points for further development of drug candidates for the treatment of COVID-19.