Abstract The multistep PROTAC (PROteolysis TArgeting Chimeras) degradation process poses challenges for their rational development, as rate limiting steps determining PROTAC efficiency remain largely unknown. Moreover, the slow throughput of currently used endpoint assays does not allow the comprehensive analysis of larger series of PROTACs. Here we developed cell-based assays using NanoLuciferase and HaloTags, that allow measuring PROTAC induced degradation and ternary complex formation kinetics and stability in cells. Using PROTACs developed for degradation of WDR5, the characterization of the mode of action of these PROTACs in the early degradation cascade revealed a key role of ternary complex formation and stability. Comparing a series of ternary complex crystal structures highlighted the importance of an efficient E3-target interface for ternary complex stability. The developed assays outline a strategy for the rational optimization of PROTACs using a series of live cell assays monitoring key steps of the early PROTAC induced degradation pathway. Significance The multistep PROTAC induced degradation process of a POI poses a significant challenge for the rational design of these bifunctional small molecules as critical steps that limit PROTAC efficacy cannot be easily assayed at required throughput. In addition, the cellular location of the POI may pose additional challenges as some cellular compartments, such as the nucleus, may not be easily reached by PROTAC molecules and the targeted E3 ligases may not be present in this cellular compartment. We propose therefore a comprehensive assay panel for PROTACs evaluation in cellular environments using a sensor system that allows continuous monitoring of the protein levels of the endogenous POI. We developed a cell line expressing WDR5 from its endogenous locus in fusion with a small sequence tag (HiBIT) that can be reconstituted to functional NanoLuciferase (NLuc). This system allowed continuous monitoring of endogenous WDR5 levels in cells and together with HaloTag system also the continuous monitoring of ternary complex (E3, WDR5 and PROTAC) formation. As this assay can be run at high throughput, we used this versatile system monitoring three diverse chemical series of WDR5 PROTACs that markedly differ in their degradation properties. Monitoring cell penetration, binary complex formation (PROTAC-WDR5 and PROTAC-VHL) as well as ternary complex formation we found that PROTAC efficiency highly correlated with synergy of ternary complex formation in cells. This study represents a first data set on diverse PROTACs studying this property in cellulo and it outlines a strategy for the rational optimization of PROTACs. It also provided kinetic data on ternary complex assembly and dissociation that may serve as a benchmark for future studies utilizing also kinetic properties for PROTAC development. Comparative structural studies revealed larger PROTAC mediated interaction surfaces for PROTACs that efficiently formed ternary complexes highlighting the utility of structure based optimization of PROTAC induced ternary complexes in the development process.

Abstract Lipid acquisition and transport are fundamental processes in all organisms, but many of the key players remain unidentified. Here, we elucidate the lipid-cycling mechanism of the Mycoplasma pneumoniae membrane protein P116. We show that P116 not only extracts lipids from its environment but also self-sufficiently deposits them into both bacterial and eukaryotic cell membranes as well as liposomes. Our structures and molecular dynamics simulation show that the N-terminal region of P116, which resembles an SMP domain, is responsible for perturbing the membrane, while a hydrophobic pocket exploits the chemical gradient to collect the lipids and the protein’s dorsal side acts as a mediator of membrane directionality. Furthermore, ligand binding and growth curve assays suggest the potential for designing small molecule inhibitors targeting this essential and immunodominant protein. We show that P116 is a versatile lipid acquisition and delivery machinery that shortcuts the multi-protein pathways used by more complex organisms. Thus, our work advances the understanding of common lipid transport strategies, which may aid research into the mechanisms of more complex lipid-handling machineries.

Investigating ligand-protein complexes is essential in the areas of chemical biology and drug discovery. However, detailed information on key reagents such as fluorescent tracers and associated data for the development of widely used bioluminescence resonance energy transfer (BRET) assays including NanoBRET, time-resolved Förster resonance energy transfer (TR-FRET) and fluorescence polarization (FP) assays are not easily accessible to the research community. We created tracerDB, a curated database of validated tracers. This resource provides an open access knowledge base and a unified system for tracer and assay validation. The database is freely available at https://www.tracerdb.org/ .

Abstract Global warming poses a threat for crops, therefore, the identification of thermotolerance mechanisms is a priority. In plants, the core factors that regulate transcription under heat stress (HS) are well described and include several HS transcription factors (HSFs). Despite the relevance of alternative splicing in HS response and thermotolerance, the core regulators of HS-sensitive alternative splicing have not been identified. In tomato, alternative splicing of HSFA2 is important for acclimation to HS. Here, we show that several members of the serine/arginine-rich family of splicing factors (SRSFs) suppress HSFA2 intron splicing. Individual-nucleotide resolution UV cross-linking and immunoprecipitation (iCLIP) combined with RNA-Seq revealed that RS2Z35 and RS2Z36, which make up a plant-specific clade of SR proteins, not only regulate HSFA2 but approximately 50% of RNAs that undergo HS-sensitive alternative splicing, with preferential binding to purine-rich RNA motifs. Single and double CRISPR rs2z mutant lines show a dysregulation of splicing and exhibit lower basal and acquired thermotolerance compared to wild type plants. Our results suggest that RS2Z35 and RS2Z36 have a central role in mitigation of the negative effects of HS on RNA splicing homeostasis, and their emergence might have contributed to the increased capacity of plants to acclimate to high temperatures.

Abstract Recent successes in developing small-molecule degraders that act through the ubiquitin system have spurred efforts to extend this technology to other mechanisms, including the autophagosomal-lysosomal pathway. Therefore, reports of autophagosome tethering compounds (ATTECs) have received considerable attention from the drug development community. ATTECs are based on the target recruitment to LC3/GABARAP, a family of membrane-bound proteins that tether autophagy receptors to the autophagosome. In order to validate the existing ligands, we rigorously tested target engagement of reported ATTEC ligands and handles. Surprisingly, using various biophysical methods, most available ligands did not interact with their designated target LC3. Intrigued by the idea of developing ATTECs, we evaluated the druggability of LC3/GABARAP by in silico docking and large scale crystallographic fragment screening. The data revealed that most fragments bound to the HP2, but not the HP1 pocket of the LC3-interacting region (LIR) docking site, suggesting favorable druggability of this binding pocket. Here, we present diverse comprehensively validated ligands for future ATTEC development.

Abstract Targeted protein degradation has emerged as a promising new pharmacologic strategy. Traditionally, it relies on small molecules that induce proximity between a target protein and an E3 ubiquitin ligase to prompt target ubiquitination and degradation by the proteasome. Sporadic reports indicated that ligands designed to inhibit a target can also induce its destabilization. Among others, this has repeatedly been observed for kinase inhibitors. However, we lack an understanding of frequency, generalizability, and mechanistic underpinnings of these phenomena. To address this knowledge gap, we established dynamic abundance profiles of 98 kinases after cellular perturbations with 1570 kinase inhibitors, revealing 160 selective instances of inhibitor-induced kinase destabilization. Kinases prone to degradation are frequently annotated as HSP90 clients, thus affirming chaperone deprivation as an important route of destabilization. However, detailed investigation of inhibitor-induced degradation of LYN, BLK and RIPK2 revealed a differentiated, common mechanistic logic where inhibitors function by inducing a kinase state that is more efficiently cleared by endogenous degradation mechanisms. Mechanistically, effects can manifest by ligand-induced changes in cellular activity, localization, or multimerization and can be prompted by direct target engagement or network effects. In sum, our data indicates that inhibitor-induced kinase degradation is a frequent event and positions supercharging of endogenous degradation circuits as an alternative to classical proximity-inducing degraders.

Abstract Isothermal titration calorimetry (ITC) is a widely used technique for the characterization of protein-protein and protein-ligand interactions. It provides information on the stoichiometry, affinity, and the thermodynamic driving forces of interactions. This chapter exemplifies the use of ITC to investigate interactions between human autophagy modifiers (LC3/GABARAP proteins) and their interaction partners, the LIR motif containing sequences. The purpose of this report is to present a detailed protocol for the production of LC3/GABARAP-interacting LIR peptides using E. coli expression systems. In addition, we outline the design of ITC experiments using the LC3/GABARAP:peptide interactions as an example. Comprehensive troubleshooting notes are provided to facilitate the adaptation of these protocols to different ligand-receptor systems. The methodology outlined for studying protein-ligand interactions will help to avoid common errors and misinterpretations of experimental results.

Abstract High temperatures cause heat stress (HS), which has negative effects on plant growth and development and affects many cellular processes including pre-mRNA splicing. In tomato plants the splicing profile of many of genes is altered under HS, including that of HSFA2 , a central transcriptional regulator of thermotolerance. To identify the core splicing regulators of HS-sensitive alternative splicing, we used HSFA2 as bait and identified two plant-specific members of the serine/arginine-rich family of splicing factors, namely RS2Z35 and RS2Z36, that inhibit HSFA2 intron splicing. Single and double CRISPR mutants of these proteins show dysregulated splicing of many genes and exhibit lower basal and acquired thermotolerance. Individual-nucleotide resolution UV cross-linking and immunoprecipitation (iCLIP) of tomato leaves revealed that the majority of HS-sensitive alternatively spliced RNAs are bound by RS2Z35 and RS2Z36 and this interaction occurs at purine-rich RNA motifs. Phenotypic and transcriptome analyses revealed that RS2Z35 and RS2Z36 are important players in the stress response and thermotolerance in plants that mitigate the negative effects of HS on RNA splicing homeostasis.

Summary Small molecule degraders such as PROteolysis TArgeting Chimeras (PROTACs) or molecular glues are new modalities for drug development and important tools for target validation. Both modalities recruit an E3 ubiquitin ligase to a protein of interest (POI) either via two independent, but linked ligands (PROTACs) or through binding of a small molecule that alters the E3 binding surface to recruit a neo-substrate (molecular glues). If optimized appropriately, both modalities result in the degradation of the POI. Due to the complexity of the induced multistep degradation process, controls for degrader evaluation are critical and they are commonly used in the literature. However, comparative studies and evaluation of cellular potencies of these control compounds and their appropriate uses have not been published so far. Additionally, the high diversity of mechanisms requires diverse small molecule controls to ensure appropriate inhibition of the investigated system while keeping potential cellular toxicity and unintended effects on cellular pathways as low as possible. Here, we scrutinized a diverse set of ubiquitin pathway inhibitors and evaluated their potency and utility within the CRBN and VHL mediated POI degradation pathway. We used the HiBiT system to measure the levels of target rescue after treatment with control compounds. Additionally, cell health was investigated using a multiplex high content assay. This assay panel allows us to determine non-toxic effective concentrations for control experiments and to perform rescue experiments in the absence of cellular toxicity, which has a profound effect on target degradation by ubiquitin-dependent and -independent pathways.

Small molecule degraders such as PROteolysis TArgeting Chimeras (PROTACs) and molecular glues are new modalities for drug development and important tools for target validation. When appropriately optimized, both modalities lead to proteasomal degradation of the protein of interest (POI). Due to the complexity of the induced multistep degradation process, controls for degrader evaluation are critical and commonly used in the literature. However, comparative studies and evaluations of cellular potencies of these control compounds have not been published so far. Here, we investigated a diverse set of ubiquitin pathway inhibitors and evaluated their potency and utility within the CRBN and VHL-mediated degradation pathway. We used the HiBiT system to measure the level of target rescue after treatment with the control compounds. In addition, the cell health was assessed using a multiplexed high-content assay. These assays allowed us to determine nontoxic effective concentrations for control experiments and to perform rescue experiments in the absence of cellular toxicity.