ABSTRACT While small molecule internal strain is crucial to molecular docking, using it in evaluating ligand scores has remained elusive. Here, we investigate a technique that calculates strain using relative torsional populations in the Cambridge Structural Database, enabling fast pre-calculation of these energies. In retrospective studies of large docking screens of the dopamine D4 receptor and of AmpC β-lactamase, where close to 600 docking hits were tested experimentally, including such strain energies improved hit rates by preferentially reducing high-scoring decoy molecules that were strained. In a 40 target subset of the DUD-E benchmark, we found two thresholds that usefully distinguished between ligands and decoys: one based on the total strain energy of the small molecules, and one based on the maximum strain allowed for any given torsion within them. Using these criteria, about 75% of the benchmark targets had improved enrichment after strain filtering. Relying on pre-calculated population distributions, this approach is rapid, taking less than 0.04 second to evaluate a conformation on a standard core, making it pragmatic for pre-calculating strain in even ultra-large libraries. Since it is scoring function agnostic, it may be useful to multiple docking approaches; it is openly available at http://tldr.docking.org

To fight the SARS-CoV-2 pandemic, much effort has been directed toward drug repurposing, testing investigational and approved drugs against several viral or human proteins in vitro . Here we investigate the impact of colloidal aggregation, a common artifact in early drug discovery, in these repurposing screens. We selected 56 drugs reported to be active in biochemical assays and tested them for aggregation by both dynamic light scattering and by enzyme counter screening with and without detergent; seventeen of these drugs formed colloids at concentrations similar to their literature reported IC 50 s. To investigate the occurrence of colloidal aggregators more generally in repurposing libraries, we further selected 15 drugs that had physical properties resembling known aggregators from a common repurposing library, and found that 6 of these aggregated at micromolar concentrations. An attraction of repurposing is that drugs active on one target are considered de-risked on another. This study suggests not only that many of the drugs repurposed for SARS-CoV-2 in biochemical assays are artifacts, but that, more generally, when screened at relevant concentrations, drugs can act artifactually via colloidal aggregation. Understanding the role of aggregation, and detecting its effects rapidly, will allow the community to focus on those drugs and leads that genuinely have potential for treating COVID-19.

The cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) is a crucial ion channel whose loss of function leads to cystic fibrosis, whereas its hyperactivation leads to secretory diarrhea. Small molecules that improve CFTR folding (correctors) or function (potentiators) are clinically available. However, the only potentiator, ivacaftor, has suboptimal pharmacokinetics and inhibitors have yet to be clinically developed. Here, we combine molecular docking, electrophysiology, cryo-EM, and medicinal chemistry to identify CFTR modulators. We docked ∼155 million molecules into the potentiator site on CFTR, synthesized 53 test ligands, and used structure-based optimization to identify candidate modulators. This approach uncovered mid-nanomolar potentiators, as well as inhibitors, that bind to the same allosteric site. These molecules represent potential leads for the development of more effective drugs for cystic fibrosis and secretory diarrhea, demonstrating the feasibility of large-scale docking for ion channel drug discovery.

Colloidal aggregation is one of the largest contributors to false positives in early drug discovery. Here, we consider aggregation's role in cell-based infectivity assays in Covid-19 drug repurposing. We investigated the potential aggregation of 41 drug candidates reported as SARs-CoV-2 entry inhibitors. Of these, 17 formed colloidal particles by dynamic light scattering and exhibited detergent-dependent enzyme inhibition. To evaluate the impact of aggregation on antiviral efficacy in cells, we presaturated the colloidal drug suspensions with BSA or spun them down by centrifugation and measured the effects on spike pseudovirus infectivity. Antiviral potencies diminished by at least 10-fold following both BSA and centrifugation treatments, supporting a colloid-based mechanism. Aggregates induced puncta of the labeled spike protein in fluorescence microscopy, consistent with sequestration of the protein on the colloidal particles. These observations suggest that colloidal aggregation is common among cell-based antiviral drug repurposing and offers rapid counter-screens to detect and eliminate these artifacts.

Positron Emission Tomography (PET) ligands have advanced Alzheimer9s disease (AD) diagnosis and treatment. Using autoradiography and cryo-EM, we identified AD brain tissue with elevated tau burden, purified filaments, and determined the structure of second-generation high avidity PET ligand MK-6240 at 2.31 A resolution, which bound at a 1:1 ratio within the cleft of tau paired-helical filament (PHF), engaging with glutamine 351, lysine K353, and isoleucine 360. This information elucidates the basis of MK-6240 PET in quantifying PHF deposits in AD and may facilitate the structure-based design of superior ligands against tau amyloids.

Food and drugs contain diverse small molecule additives (excipients) with unclear impacts on human physiology. Here, we evaluate their potential impact on intestinal absorption, screening 136 unique compounds for inhibition of the key transporter OATP2B1. We identified and validated 24 potent OATP2B1 transport inhibitors, characterized by higher molecular weight and hydrophobicity compared to poor or non-inhibitors. OATP2B1 inhibitors were also enriched for dyes, including 8 azo (R−N=N−R′) dyes. Pharmacokinetic studies in mice confirmed that FD&C Red No. 40, a common azo dye excipient, inhibited drug absorption; however, the human gut microbiome inactivated azo dye excipients, producing metabolites that no longer inhibit OATP2B1 transport. These results support a beneficial role for the microbiome in limiting the unintended effects of food and drug additives in the intestine.

SARS-CoV-2 continues to pose a threat to public health. Current therapeutics remain limited to direct acting antivirals that lack distinct mechanisms of action and are already showing signs of viral resistance. The virus encodes an ADP-ribosylhydrolase macrodomain (Mac1) that plays an important role in the coronaviral lifecycle by suppressing host innate immune responses. Genetic inactivation of Mac1 abrogates viral replication

Abstract Drugs acting as positive allosteric modulators (PAMs) to enhance the activation of the calcium sensing receptor (CaSR) and to suppress parathyroid hormone (PTH) secretion can treat hyperparathyroidism but suffer from side effects including hypocalcemia and arrhythmias. Seeking new CaSR modulators, we docked libraries of 2.7 million and 1.2 billion molecules against transforming pockets in the active-state receptor dimer structure. Consistent with simulations suggesting that docking improves with library size, billion-molecule docking found new PAMs with a hit rate that was 2.7-fold higher than the million-molecule library and with hits up to 37-fold more potent. Structure-based optimization of ligands from both campaigns led to nanomolar leads, one of which was advanced to animal testing. This PAM displays 100-fold the potency of the standard of care, cinacalcet, in ex vivo organ assays, and reduces serum PTH levels in mice by up to 80% without the hypocalcemia typical of CaSR drugs. Cryo-EM structures with the new PAMs show that they induce residue rearrangements in the binding pockets and promote CaSR dimer conformations that are closer to the G-protein coupled state compared to established drugs. These findings highlight the promise of large library docking for therapeutic leads, especially when combined with experimental structure determination and mechanism. One sentence summary Structure-based virtual screening uncovers novel CaSR allosteric modulators with enhanced efficacy and less side effects.

The Food and Drug Administration Adverse Event Reporting System (FAERS) is the primary source for postmarketing pharmacovigilance. Though potentially highly useful, the database reflects reporting biases, stimulated reporting, and suffers from lack of standardization and the use of multiple drug synonyms. These biases can suggest adverse drug reactions (ADRs) where none exist, and can obscure others that do exist. To decrease the noise in FAERS, and to reinforce important associations, we mapped over 750,000 drug identifiers in FAERS to the normalized chemical structures of their ingredients. This illuminated associations that would not otherwise be apparent, and also allowed a time-resolved analysis of ADR reporting. It also revealed similarities between drugs and adverse events across therapeutic classes, enabling unbiased classification of adverse events, indications, and drugs with similar clinical profiles. For instance, comparison of two selective cyclooxygenase-2 inhibitors, celecoxib and rofecoxib finds distinctive FAERS profiles after time-resolved analysis. We also investigated key idiosyncrasies, such as confusion between drug indications and drug ADRs, which can tar a drug treating a life-threatening disease, like thalidomide's use against myeloma, with a deadly ADR that is likely the result of the disease itself, multiplications of the same report, which unjustifiably increases its apparent importance, and the correlation of reported ADRs with public events, regulatory announcements, and with publications. Comparing the pharmacological, pharmacokinetic, and clinical ADR profiles of methylphenidate, aripiprazole and risperidone, and of kinase drugs targeting the VEGF receptor (VEGF-R2), demonstrates how underlying molecular mechanisms can emerge from ADR co-analysis. The precautions and methods we describe may enable investigators to avoid confounding chemistry-based associations and reporting biases in FAERS, and illustrate how comparative analysis of ADRs can reveal underlaying mechanisms.

The cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) is a crucial ion channel whose loss of function leads to cystic fibrosis, while its hyperactivation leads to secretory diarrhea. Small molecules that improve CFTR folding (correctors) or function (potentiators) are clinically available. However, the only potentiator, ivacaftor, has suboptimal pharmacokinetics and inhibitors have yet to be clinically developed. Here we combine molecular docking, electrophysiology, cryo-EM, and medicinal chemistry to identify novel CFTR modulators. We docked ~155 million molecules into the potentiator site on CFTR, synthesized 53 test ligands, and used structure-based optimization to identify candidate modulators. This approach uncovered novel mid-nanomolar potentiators as well as inhibitors that bind to the same allosteric site. These molecules represent potential leads for the development of more effective drugs for cystic fibrosis and secretory diarrhea, demonstrating the feasibility of large-scale docking for ion channel drug discovery.