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.

Abstract Parasites and their hosts are engaged in rapid coevolution that balances competing mechanisms of virulence, resistance, and evasion. This often leads to host specificity, but genomic reassortment between different strains can enable parasites to jump host barriers and conquer new niches. In the apicomplexan parasite Cryptosporidium genetic exchange has been hypothesized to play a prominent role in adaptation to humans. The sexual lifecycle of the parasite provides a potential mechanism for such exchange; however, the boundaries of Cryptosporidium sex are currently undefined. To explore this experimentally, we established a model for genetic crosses. Drug resistance was engineered using a mutated phenylalanyl tRNA synthetase gene and marking strains with this and the previously used Neo transgene enabled selection of recombinant progeny. This is highly efficient, and genomic recombination is evident and can be continuously monitored in real time by drug resistance, flow cytometry, and PCR mapping. Using this approach multiple loci can now be modified with ease. We demonstrate that essential genes can be ablated by crossing a Cre recombinase driver strain with floxed strains. We further find that genetic crosses are also feasible between species. Crossing C. parvum, a parasite of cattle and humans, and C. tyzzeri a mouse parasite resulted in progeny with a recombinant genome derived from both species that continues to vigorously replicate sexually. These experiments have important fundamental and translational implications for the evolution of Cryptosporidium and open the door to reverse- and forward-genetic analysis of parasite biology and host specificity. Significance statement The parasite Cryptosporidium is a leading cause of diarrheal disease. While infection is common all around the world, young children experiencing malnutrition are impacted most profoundly, and the disease is an important contributor to early childhood mortality. This study experimentally demonstrates that different strains and even species of Cryptosporidium can recombine their genomes through sex. The progeny of such genetic crosses shows combined features of both parents, with resistance to multiple drugs being one example. Sex thus provides a critical mechanism for the parasite to rapidly adapt to changing environments and hosts. Genetic crosses as an experimental tool may also be harnessed in the future to discover the genes underlying differences in virulence, drug sensitivity, and immunogenicity between parasite isolates.

Summary Despite significant interest in therapeutic targeting of splicing, few chemical probes are available for the proteins involved in splicing. Here, we show that elaborated stereoisomeric acrylamide chemical probe EV96 and its analogues lead to a selective T cell state-dependent loss of interleukin 2-inducible T cell kinase (ITK) by targeting one of the core splicing factors SF3B1. Mechanistic investigations suggest that the state-dependency stems from a combination of differential protein turnover rates and availability of functional mRNA pools that can be depleted due to extensive alternative splicing. We further introduce a comprehensive list of proteins involved in splicing and leverage both cysteine- and protein-directed activity-based protein profiling (ABPP) data with electrophilic scout fragments to demonstrate covalent ligandability for many classes of splicing factors and splicing regulators in primary human T cells. Taken together, our findings show how chemical perturbation of splicing can lead to immune state-dependent changes in protein expression and provide evidence for the broad potential to target splicing factors with covalent chemistry.

Abstract Human Immunodeficiency Virus-1 (HIV-1), the causative agent of AIDS, impacts millions of people. Entry into target cells is mediated by the HIV-1 envelope (Env) glycoprotein interacting with host receptor CD4, which triggers conformational changes allowing binding to a coreceptor and subsequent membrane fusion. Small molecule or peptide CD4-mimetic drugs mimic CD4’s Phe43 interaction with Env by inserting into the conserved Phe43 pocket on Env subunit gp120. Here, we present single-particle cryo-EM structures of CD4-mimetics BNM-III-170 and M48U1 bound to a BG505 native-like Env trimer plus the CD4-induced antibody 17b at 3.7Å and 3.9Å resolution, respectively. CD4-mimetic-bound BG505 exhibits canonical CD4-induced conformational changes including trimer opening, formation of the 4-stranded gp120 bridging sheet, displacement of the V1V2 loop, and formation of a compact and elongated gp41 HR1C helical bundle. We conclude that CD4-induced structural changes on both gp120 and gp41 Env subunits are induced by binding to the gp120 Phe43 pocket.

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 Diversity-oriented synthesis (DOS)is a powerful strategy to prepare molecules with underrepresented features in commercial screening collections, resulting in the elucidation of novel biological mechanisms. In parallel to the development of DOS, DNA-encoded libraries (DELs) have emerged as an effective, efficient screening strategy to identify protein binders. Despite recent advancements in this field, most DEL syntheses are limited by the presence of sensitive DNA-based constructs. Here, we describe the design, synthesis, and validation experiments performed for a 3.7 million-member DEL, generated using diverse skeleton architectures with varying exit vectors, derived from DOS, to achieve structural diversity beyond what is possible by varying appendages alone. We will make this DEL available to the academic scientific community to increase access to novel structural features and accelerate early-phase drug discovery.

More than half of the ~20,000 protein-encoding human genes have at least one paralog. Chemical proteomics has uncovered many electrophile-sensitive cysteines that are exclusive to a subset of paralogous proteins. Here, we explore whether such covalent compound-cysteine interactions can be used to discover ligandable pockets in paralogs that lack the cysteine. Leveraging the covalent ligandability of C109 in the cyclin CCNE2, we mutated the corresponding residue in paralog CCNE1 to cysteine (N112C) and found through activity-based protein profiling (ABPP) that this mutant reacts stereoselectively and site-specifically with tryptoline acrylamides. We then converted the tryptoline acrylamide-N112C-CCNE1 interaction into a NanoBRET-ABPP assay capable of identifying compounds that reversibly inhibit both N112C- and WT-CCNE1:CDK2 complexes. X-ray crystallography revealed a cryptic allosteric pocket at the CCNE1:CDK2 interface adjacent to N112 that binds the reversible inhibitors. Our findings thus provide a roadmap for leveraging electrophile-cysteine interactions to extend the ligandability of the proteome beyond covalent chemistry.

Previous studies have shown that bicyclic azetidines are potent and selective inhibitors of apicomplexan phenylalanine tRNA synthetase (PheRS), leading to parasite growth inhibition in vitro and in vivo, including in models of Toxoplasma infection. Despite these useful properties, additional optimization is required for the development of efficacious treatments of toxoplasmosis from this inhibitor series, in particular to achieve sufficient exposure in the brain. Here, we describe a series of PheRS inhibitors built on a new bicyclic pyrrolidine core scaffold designed to retain the exit-vector geometry of the isomeric bicyclic azetidine core scaffold while offering avenues to sample diverse chemical space. Relative to the parent series, bicyclic pyrrolidines retain reasonable potency and target selectivity for parasite PheRS vs. host. Further structure-activity relationship studies revealed that the introduction of aliphatic groups improved potency, ADME and PK properties, including brain exposure. The identification of this new scaffold provides potential opportunities to extend the analog series to further improve selectivity and potency and ultimately deliver a novel, efficacious treatment of toxoplasmosis.

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.