A degrading game plan for cancer therapy Certain classes of proteins that contribute to cancer development are challenging to target therapeutically. Winter et al. devised a chemical strategy that, in principle, permits the selective degradation of any protein of interest. The strategy involves chemically attaching a ligand known to bind the desired protein to another molecule that hijacks an enzyme whose function is to direct proteins to the cell's protein degradation machinery. In a proof-of-concept study, they demonstrated selective degradation of a transcriptional coactivator called bromodomain-containing protein 4 and delayed the progression of leukemia in mice. Science , this issue p. 1376

Little is known about the regulation of nonapoptotic cell death. Using massive insertional mutagenesis of haploid KBM7 cells we identified nine genes involved in small-molecule-induced nonapoptotic cell death, including mediators of fatty acid metabolism (ACSL4) and lipid remodeling (LPCAT3) in ferroptosis. One novel compound, CIL56, triggered cell death dependent upon the rate-limiting de novo lipid synthetic enzyme ACC1. These results provide insight into the genetic regulation of cell death and highlight the central role of lipid metabolism in nonapoptotic cell death.

Heterochromatin is required to restrict aberrant expression of retrotransposons, but it remains poorly defined due to the underlying repeat-rich sequences. We dissected Suv39h-dependent histone H3 lysine 9 trimethylation (H3K9me3) by genome-wide ChIP sequencing in mouse embryonic stem cells (ESCs). Refined bioinformatic analyses of repeat subfamilies indicated selective accumulation of Suv39h-dependent H3K9me3 at interspersed repetitive elements that cover ∼5% of the ESC epigenome. The majority of the ∼8,150 intact long interspersed nuclear elements (LINEs) and endogenous retroviruses (ERVs), but only a minor fraction of the >1.8 million degenerate and truncated LINEs/ERVs, are enriched for Suv39h-dependent H3K9me3. Transcriptional repression of intact LINEs and ERVs is differentially regulated by Suv39h and other chromatin modifiers in ESCs but governed by DNA methylation in committed cells. These data provide a function for Suv39h-dependent H3K9me3 chromatin to specifically repress intact LINE elements in the ESC epigenome.

Targeted protein degradation is a new therapeutic modality based on drugs that destabilize proteins by inducing their proximity to E3 ubiquitin ligases. Of particular interest are molecular glues that can degrade otherwise unligandable proteins by orchestrating direct interactions between target and ligase. However, their discovery has so far been serendipitous, thus hampering broad translational efforts. Here, we describe a scalable strategy toward glue degrader discovery that is based on chemical screening in hyponeddylated cells coupled to a multi-omics target deconvolution campaign. This approach led us to identify compounds that induce ubiquitination and degradation of cyclin K by prompting an interaction of CDK12–cyclin K with a CRL4B ligase complex. Notably, this interaction is independent of a dedicated substrate receptor, thus functionally segregating this mechanism from all described degraders. Collectively, our data outline a versatile and broadly applicable strategy to identify degraders with nonobvious mechanisms and thus empower future drug discovery efforts. Chemical profiling in hyponeddylated cells coupled with multi-omics target deconvolution led to the identification of molecular glue degraders of cyclin K that function by inducing proximity between the CRL adaptor DDB1 and a CDK12–cyclin K complex.

Metabolic alterations in cancer precipitate in associated dependencies that can be therapeutically exploited. To meet this goal, natural product-inspired small molecules can provide a resource of invaluable chemotypes. Here, we identify orpinolide, a synthetic withanolide analog with pronounced antileukemic properties, via orthogonal chemical screening. Through multiomics profiling and genome-scale CRISPR-Cas9 screens, we identify that orpinolide disrupts Golgi homeostasis via a mechanism that requires active phosphatidylinositol 4-phosphate signaling at the endoplasmic reticulum-Golgi membrane interface. Thermal proteome profiling and genetic validation studies reveal the oxysterol-binding protein OSBP as the direct and phenotypically relevant target of orpinolide. Collectively, these data reaffirm sterol transport as a therapeutically actionable dependency in leukemia and motivate ensuing translational investigation via the probe-like compound orpinolide.

Abstract Targeted protein degradation (TPD) relies on small molecules to recruit proteins to E3 ligases to induce their ubiquitylation and degradation by the proteasome. Only a few of the approximately 600 human E3 ligases are currently amenable to this strategy. This limits the actionable target space and clinical opportunities and thus establishes the necessity to expand to additional ligases. Here we identify and characterize SP3N, a specific degrader of the prolyl isomerase FKBP12. SP3N features a minimal design, where a known FKBP12 ligand is appended with a flexible alkylamine tail that conveys degradation properties. We found that SP3N is a precursor and that the alkylamine is metabolized to an active aldehyde species that recruits the SCF FBXO22 ligase for FKBP12 degradation. Target engagement occurs via covalent adduction of Cys326 in the FBXO22 C-terminal domain, which is critical for ternary complex formation, ubiquitylation and degradation. This mechanism is conserved for two recently reported alkylamine-based degraders of NSD2 and XIAP, thus establishing alkylamine tethering and covalent hijacking of FBXO22 as a generalizable TPD strategy.

Abstract Sterol-binding proteins are important regulators of lipid homeostasis and membrane integrity; however, the discovery of selective small molecule modulators can be challenging due to structural similarities in the sterol binding domains. We report the discovery of highly potent and selective inhibitors of oxysterol binding protein (OSBP), which we term oxybipins . Sterol-containing chemical chimeras aimed at identifying new sterol binding proteins by targeted degradation, led to a significant reduction in Golgi-associated proteins. The degradation was found to occur at lysosomes, concomitant with changes in general protein glycosylation, indicating that the degradation of Golgi proteins was a downstream effect. By establishing a sterol transport protein biophysical assay panel, we discovered that the oxybipins potently inhibited OSBP, resulting in blockage of retrograde trafficking and attenuating Shiga toxin toxicity. As the oxybipins do not target any other sterol transporters tested, we advocate their use as chemical tools to study OSBP function and therapeutic relevance.

Abstract Targeted protein degradation (TPD) is a new pharmacology based on small-molecule degraders that induce proximity between a protein of interest (POI) and an E3 ubiquitin ligase. Of the approximately 600 E3s encoded in the human genome, only around two percent can be co-opted with degraders. This underrepresentation is caused by a paucity of discovery approaches to identify degraders for defined E3s. This hampers a rational expansion of the druggable proteome, and stymies critical advancements in the field, such as tissue- and cell-specific degradation. Here, we focus on dynamic NEDD8 conjugation, a posttranslational, regulatory circuit that controls the activity of 250 cullin RING E3 ligases (CRLs). Leveraging this regulatory layer enabled us to develop a scalable assay to identify compounds that alter the interactome of an E3 of interest by tracing their abundance after pharmacologically induced auto-degradation. Initial validation studies are performed for CRBN and VHL, but proteomics studies indicate broad applicability for many CRLs. Among amenable ligases, we select CRL DCAF15 for a proof-of-concept screen, leading to the identification of a novel DCAF15-dependent molecular glue degrader inducing the degradation of RBM23 and RBM39. Together, this strategy empowers the scalable identification of degraders specific to a ligase of interest.

Abstract Targeted protein degradation (TPD) has emerged as a powerful strategy to selectively eliminate cellular proteins using small-molecule degraders, offering therapeutic promise for targeting proteins that are otherwise undruggable. However, a remaining challenge is to unambiguously identify primary TPD targets that are distinct from secondary downstream effects in the proteome. Here we introduce an approach that combines stable isotope labeling and click-chemistry for selective quantification of protein degradation by mass spectrometry, excluding confounding effects of altered transcription and translation induced by target depletion. We show that the approach efficiently operates at the time scale of TPD (hours) and we demonstrate its utility by analyzing the Cyclin K degraders dCeMM2 and dCeMM4, which induce widespread transcriptional downregulation, and the GSPT1 degrader CC-885, an inhibitor of protein translation. Additionally, we apply it to characterize compound 1, a previously uncharacterized degrader, and identify the zinc-finger protein FIZ1 as a degraded target.