Abstract The COVID-19 pandemic has clearly brought the healthcare systems world-wide to a breaking point along with devastating socioeconomic consequences. The SARS-CoV-2 virus which causes the disease uses RNA capping to evade the human immune system. Non-structural protein (nsp) 14 is one of the 16 nsps in SARS-CoV-2 and catalyzes the methylation of the viral RNA at N7-guanosine in the cap formation process. To discover small molecule inhibitors of nsp14 methyltransferase (MT) activity, we developed and employed a radiometric MT assay to screen a library of 161 in house synthesized S-adenosylmethionine (SAM) competitive methyltransferase inhibitors and SAM analogs. Among seven identified screening hits, SS148 inhibited nsp14 MT activity with an IC 50 value of 70 ± 6 nM and was selective against 20 human protein lysine methyltransferases indicating significant differences in SAM binding sites. Interestingly, DS0464 with IC 50 value of 1.1 ± 0.2 μM showed a bi-substrate competitive inhibitor mechanism of action. Modeling the binding of this compound to nsp14 suggests that the terminal phenyl group extends into the RNA binding site. DS0464 was also selective against 28 out of 33 RNA, DNA, and protein methyltransferases. The structure-activity relationship provided by these compounds should guide the optimization of selective bi-substrate nsp14 inhibitors and may provide a path towards a novel class of antivirals against COVID-19, and possibly other coronaviruses.

Abstract We have developed a novel chemical handle (PFI-E3H1) and a chemical probe (PFI-7) as ligands for the Gid4 subunit of the human E3 ligase CTLH degradation complex. Through an efficient initial hit-ID campaign, structure-based drug design (SBDD) and leveraging the sizeable Pfizer compound library, we identified a 500 nM ligand for this E3 ligase through file screening alone. Further exploration identified a vector that is tolerant to addition of a linker for future chimeric molecule design. The chemotype was subsequently optimized to sub-100 nM Gid4 binding affinity for a chemical probe. These novel tools, alongside the suitable negative control also identified, should enable the interrogation of this complex human E3 ligase macromolecular assembly.

Abstract Frequent outbreaks of novel coronaviruses (CoVs), highlighted by the current SARS-CoV-2 pandemic, necessitate the development of therapeutics that could be easily and effectively administered world-wide. The conserved mRNA-capping process enables CoVs to evade their host immune system and is a target for antiviral development. Nonstructural protein (nsp) 16 in complex with nsp10 catalyzes the final step of coronaviral mRNA-capping through its 2’-O-methylation activity. Like other methyltransferases, SARS-CoV-2 nsp10-nsp16 complex is druggable. However, the availability of an optimized assay for high-throughput screening (HTS) is an unmet need. Here, we report the development of a radioactivity-based assay for methyltransferase activity of nsp10-nsp16 complex in a 384-well format, and kinetic characterization, and optimization of the assay for HTS (Z′-factor: 0.83). Considering the high conservation of nsp16 across known CoV species, the potential inhibitors targeting SARS-CoV-2 nsp10-nsp16 complex may also be effective against other emerging pathogenic CoVs.

Abstract The CTLH complex is a multi-subunit ubiquitin ligase complex that recognizes substrates with Pro/N-degrons via the substrate receptor GID4. Recently, focus has turned to this complex as a potential mediator of targeted protein degradation, but the role GID4-mediated substrate ubiquitylation and proteasomal degradation plays in humans has thus far remained unclear. Here, we report PFI-7, a potent, selective, and cell-active chemical probe that antagonizes Pro/N-degron binding to human GID4. Use of PFI-7 in proximity-dependent biotinylation enabled the identification of dozens of endogenous GID4-interacting proteins that bind via the GID4 substrate binding pocket, only a subset of which possess canonical Pro/N-degron sequences. GID4 interactors are enriched for nuclear and nucleolar proteins including RNA helicases. GID4 antagonism by PFI-7 altered protein levels of several proteins including RNA helicases as measured by label-free quantitative proteomics, defining proteins that are regulated by GID4 and the CTLH complex in humans. Interactions with GID4 via Pro/N-degron pathway did not result in proteasomal degradation, demonstrating that CTLH interactors are regulated through a combination of degradative and non-degradative functions. The lack of degradation of GID4 interactors highlights potential challenges in utilizing GID4-recruiting bifunctional molecules for targeted protein degradation. Going forward, PFI-7 will be a valuable research tool for defining CTLH complex biology and honing targeted protein degradation strategies.

Abstract Protein class-focused drug discovery has a long and successful history in pharmaceutical research, yet most members of druggable protein families remain unliganded, often for practical reasons. Here we combined experiment and computation to enable discovery of ligands for WD40 repeat (WDR) proteins, one of the largest human protein families. This resource includes expression clones, purification protocols, and a comprehensive assessment of the druggability for hundreds of WDR proteins. We solved 21 high resolution crystal structures, and have made available a suite of biophysical, biochemical, and cellular assays to facilitate the discovery and characterization of small molecule ligands. To this end, we use the resource in a hit-finding pilot involving DNA-encoded library (DEL) selection followed by machine learning (ML). This led to the discovery of first-in-class, drug-like ligands for 9 of 20 targets. This result demonstrates the broad ligandability of WDRs. This extensive resource of reagents and knowledge will enable further discovery of chemical tools and potential therapeutics for this important class of proteins.