Targeted protein degradation has emerged as a new paradigm to manipulate cellular proteostasis. Proteolysis-targeting chimeras (PROTACs) are bifunctional small molecules that recruit an E3 ligase to a target protein of interest, promoting its ubiquitination and subsequent degradation. Here, we report the development of antibody-based PROTACs (AbTACs), fully recombinant bispecific antibodies that recruit membrane-bound E3 ligases for the degradation of cell-surface proteins. We show that an AbTAC can induce the lysosomal degradation of programmed death-ligand 1 by recruitment of the membrane-bound E3 ligase RNF43. AbTACs represent a new archetype within the PROTAC field to target cell-surface proteins with fully recombinant biological molecules.

Targeted degradation of cell surface and extracellular proteins via lysosomal delivery is an important means to modulate extracellular biology. However, these approaches have limitations due to lack of modularity, ease of development, restricted tissue targeting and applicability to both cell surface and extracellular proteins. We describe a lysosomal degradation strategy, termed cytokine receptor-targeting chimeras (KineTACs), that addresses these limitations. KineTACs are fully genetically encoded bispecific antibodies consisting of a cytokine arm, which binds its cognate cytokine receptor, and a target-binding arm for the protein of interest. We show that KineTACs containing the cytokine CXCL12 can use the decoy recycling receptor, CXCR7, to target a variety of target proteins to the lysosome for degradation. Additional KineTACs were designed to harness other CXCR7-targeting cytokines, CXCL11 and vMIPII, and the interleukin-2 (IL-2) receptor-targeting cytokine IL-2. Thus, KineTACs represent a general, modular, selective and simple genetically encoded strategy for inducing lysosomal delivery of extracellular and cell surface targets with broad or tissue-specific distribution.

Abstract A serious public health crisis is currently unfolding due to the SARS-CoV-2 pandemic. SARS-CoV-2 viral entry depends on an interaction between the receptor binding domain of the trimeric viral Spike protein (Spike-RBD) and the dimeric human angiotensin converting enzyme 2 (ACE2) receptor. While it is clear that strategies to block the Spike/ACE2 interaction are promising as anti-SARS-CoV-2 therapeutics, our current understanding is insufficient for the rational design of maximally effective therapeutic molecules. Here, we investigated the mechanism of Spike/ACE2 interaction by characterizing the binding affinity and kinetics of different multimeric forms of recombinant ACE2 and Spike-RBD domain. We also engineered ACE2 into a split Nanoluciferase-based reporter system to probe the conformational landscape of Spike-RBDs in the context of the Spike trimer. Interestingly, a dimeric form of ACE2, but not monomeric ACE2, binds with high affinity to Spike and blocks viral entry in pseudotyped virus and live SARS-CoV-2 virus neutralization assays. We show that dimeric ACE2 interacts with an RBD on Spike with limited intra-Spike avidity, which nonetheless contributes to the affinity of this interaction. Additionally, we demonstrate that a proportion of Spike can simultaneously interact with multiple ACE2 dimers, indicating that more than one RBD domain in a Spike trimer can adopt an ACE2-accessible “up” conformation. Our findings have significant implications on the design strategies of therapeutic molecules that block the Spike/ACE2 interaction. The constructs we describe are freely available to the research community as molecular tools to further our understanding of SARS-CoV-2 biology.