Summary Most human proteins lack chemical probes, and several large-scale and generalizable small-molecule binding assays have been introduced to address this problem. How compounds discovered in such “binding-first” assays affect protein function, nonetheless, often remains unclear. Here, we describe a “function-first” proteomic strategy that uses size exclusion chromatography (SEC) to assess the global impact of electrophilic compounds on protein complexes in human cells. Integrating the SEC data with cysteine-directed activity-based protein profiling identifies changes in protein-protein interactions that are caused by site-specific liganding events, including the stereoselective engagement of cysteines in PSME1 and SF3B1 that disrupt the PA28 proteasome regulatory complex and stabilize a dynamic state of the spliceosome, respectively. Our findings thus show how multidimensional proteomic analysis of focused libraries of electrophilic compounds can expedite the discovery of chemical probes with site-specific functional effects on protein complexes in human cells.

Chemical proteomics enables the global assessment of small molecule-protein interactions in native biological systems and has emerged as a versatile approach for ligand discovery. The range of small molecules explored by chemical proteomics has, however, been limited. Here, we describe a diversity-oriented synthesis (DOS)-inspired library of stereochemically-defined compounds bearing diazirine and alkyne units for UV light-induced covalent modification and click chemistry enrichment of interacting proteins, respectively. We find that these 'photo-stereoprobes' interact in a stereoselective manner with hundreds of proteins from various structural and functional classes in human cells and demonstrate that these interactions can form the basis for high-throughput screening-compatible nanoBRET assays. Integrated phenotypic analysis and chemical proteomics identified photo-stereoprobes that modulate autophagy by engaging the mitochondrial serine protease CLPP. Our findings show the utility of photo-stereoprobes for expanding the ligandable proteome, furnishing target engagement assays, and discovering and characterizing bioactive small molecules by cell-based screening.

ABSTRACT The human innate immune system responds to both pathogen and commensal bacteria at the molecular level using bacterial peptidoglycan (PG) recognition elements. Traditionally, synthetic and commercially accessible PG monosaccharide units known as muramyl dipeptide (MDP) and N -glycolyl MDP (ng-MDP) have been used to probe the mechanism of innate immune activation of pattern recognition receptors (PRRs) such as NOD-like receptors (NLRs). However, bacterial PG is a dynamic and complex structure, with various chemical modifications and trimming mechanisms that result in the production of disaccharide containing elements. These molecules pose as attractive targets for immunostimulatory screening; however, studies are limited due to their synthetic accessibility. Inspired by disaccharide containing compounds produced from the gut microbe, Lactobacillus acidophilus , a robust and scalable chemical synthesis of PG-based disaccharide ligands was implemented. Together with a monosaccharide PG library, compounds were screened for their ability to stimulate proinflammatory genes in bone marrow derived macrophages (BMDMs). The data reveal a diverse gene induction pattern between monosaccharide and disaccharide PG units, suggesting that PG innate immune signaling is more complex than a one-activator-one pathway program, as biologically relevant fragments induce distinct transcriptional programs. These disaccharide molecules will serve as critical immunostimulatory tools to more precisely define specialized innate immune regulatory mechanisms that distinguish between commensal and pathogenic bacteria residing in the microbiome.

Abstract Helical cell shape is necessary for efficient stomach colonization by Helicobacter pylori , but the molecular mechanisms for generating helical shape remain unclear. We show that the helical centerline pitch and radius of wild-type H. pylori cells dictate surface curvatures of considerably higher positive and negative Gaussian curvatures than those present in straight- or curved-rod bacteria. Quantitative 3D microscopy analysis of short pulses with either N -acetylmuramic acid or D-alanine metabolic probes showed that cell wall growth is enhanced at both sidewall curvature extremes. Immunofluorescence revealed MreB is most abundant at negative Gaussian curvature, while the bactofilin CcmA is most abundant at positive Gaussian curvature. Strains expressing CcmA variants with altered polymerization properties lose helical shape and associated positive Gaussian curvatures. We thus propose a model where CcmA and MreB promote PG synthesis at positive and negative Gaussian curvatures, respectively, and that this patterning is one mechanism necessary for maintaining helical shape.

Pioneer transcription factors (TFs) exhibit a specialized ability to bind to and open closed chromatin, facilitating engagement by other regulatory factors involved in gene activation or repression. Chemical probes are lacking for pioneer TFs, which has hindered their mechanistic investigation in cells. Here, we report the chemical proteomic discovery of electrophilic small molecules that stereoselectively and site-specifically bind the pioneer TF, FOXA1, at a cysteine (C258) within the forkhead DNA-binding domain. We show that these covalent ligands react with FOXA1 in a DNA-dependent manner and rapidly remodel its pioneer activity in prostate cancer cells reflected in redistribution of FOXA1 binding across the genome and directionally correlated changes in chromatin accessibility. Motif analysis supports a mechanism where the covalent ligands relax the canonical DNA binding preference of FOXA1 by strengthening interactions with suboptimal ancillary sequences in predicted proximity to C258. Our findings reveal a striking plasticity underpinning the pioneering function of FOXA1 that can be controlled by small molecules.