Summary

 The initiation and execution of cell death can be regulated by various lipids. How the levels of environmental (exogenous) lipids impact cell death sensitivity is not well understood. We find that exogenous monounsaturated fatty acids (MUFAs) potently inhibit the non-apoptotic, iron-dependent, oxidative cell death process of ferroptosis. This protective effect is associated with the suppression of lipid reactive oxygen species (ROS) accumulation at the plasma membrane and decreased levels of phospholipids containing oxidizable polyunsaturated fatty acids. Treatment with exogenous MUFAs reduces the sensitivity of plasma membrane lipids to oxidation over several hours. This effect requires MUFA activation by acyl-coenzyme A synthetase long-chain family member 3 (ACSL3) and is independent of lipid droplet formation. Exogenous MUFAs also protect cells from apoptotic lipotoxicity caused by the accumulation of saturated fatty acids, but in an ACSL3-independent manner. Our work demonstrates that ACSL3-dependent MUFA activation promotes a ferroptosis-resistant cell state.

Nimbolide, a terpenoid natural product derived from the Neem tree, impairs cancer pathogenicity; however, the direct targets and mechanisms by which nimbolide exerts its effects are poorly understood. Here, we used activity-based protein profiling (ABPP) chemoproteomic platforms to discover that nimbolide reacts with a novel functional cysteine crucial for substrate recognition in the E3 ubiquitin ligase RNF114. Nimbolide impairs breast cancer cell proliferation in-part by disrupting RNF114-substrate recognition, leading to inhibition of ubiquitination and degradation of tumor suppressors such as p21, resulting in their rapid stabilization. We further demonstrate that nimbolide can be harnessed to recruit RNF114 as an E3 ligase in targeted protein degradation applications and show that synthetically simpler scaffolds are also capable of accessing this unique reactive site. Our study highlights the use of ABPP platforms in uncovering unique druggable modalities accessed by natural products for cancer therapy and targeted protein degradation applications.

Targeted protein degradation has arisen as a powerful strategy for drug discovery allowing the targeting of undruggable proteins for proteasomal degradation. This approach most often employs heterobifunctional degraders consisting of a protein-targeting ligand linked to an E3 ligase recruiter to ubiquitinate and mark proteins of interest for proteasomal degradation. One challenge with this approach, however, is that only a few E3 ligase recruiters currently exist for targeted protein degradation applications, despite the hundreds of known E3 ligases in the human genome. Here, we utilized activity-based protein profiling (ABPP)-based covalent ligand screening approaches to identify cysteine-reactive small-molecules that react with the E3 ubiquitin ligase RNF4 and provide chemical starting points for the design of RNF4-based degraders. The hit covalent ligand from this screen reacted with either of two zinc-coordinating cysteines in the RING domain, C132 and C135, with no effect on RNF4 activity. We further optimized the potency of this hit and incorporated this potential RNF4 recruiter into a bifunctional degrader linked to JQ1, an inhibitor of the BET family of bromodomain proteins. We demonstrate that the resulting compound CCW 28-3 is capable of degrading BRD4 in a proteasome- and RNF4-dependent manner. In this study, we have shown the feasibility of using chemoproteomics-enabled covalent ligand screening platforms to expand the scope of E3 ligase recruiters that can be exploited for targeted protein degradation applications.

Many diseases are driven by proteins that are aberrantly ubiquitinated and degraded. These diseases would be therapeutically benefited by targeted protein stabilization (TPS). Here we present deubiquitinase-targeting chimeras (DUBTACs), heterobifunctional small molecules consisting of a deubiquitinase recruiter linked to a protein-targeting ligand, to stabilize the levels of specific proteins degraded in a ubiquitin-dependent manner. Using chemoproteomic approaches, we discovered the covalent ligand EN523 that targets a non-catalytic allosteric cysteine C23 in the K48-ubiquitin-specific deubiquitinase OTUB1. We showed that a DUBTAC consisting of our EN523 OTUB1 recruiter linked to lumacaftor, a drug used to treat cystic fibrosis that binds ΔF508-cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR), robustly stabilized ΔF508-CFTR protein levels, leading to improved chloride channel conductance in human cystic fibrosis bronchial epithelial cells. We also demonstrated stabilization of the tumor suppressor kinase WEE1 in hepatoma cells. Our study showcases covalent chemoproteomic approaches to develop new induced proximity-based therapeutic modalities and introduces the DUBTAC platform for TPS. A targeted protein stabilization platform termed deubiquitinase-targeting chimera (DUBTAC) was developed based on heterobifunctional small molecules consisting of a deubiquitinase OTUB1 recruiter linked to a protein-targeting ligand.

Abstract Targeted protein degradation is a powerful therapeutic modality that uses heterobifunctional small-molecules to induce proximity between E3 ubiquitin ligases and target proteins to ubiquitinate and degrade specific proteins of interest. However, many proteins are ubiquitinated and degraded to drive disease pathology; in these cases targeted protein stabilization (TPS), rather than degradation, of the actively degraded target using a small-molecule would be therapeutically beneficial. Here, we present the Deubiquitinase-Targeting Chimera (DUBTAC) platform for TPS of specific proteins. Using chemoproteomic approaches, we discovered the covalent ligand EN523 that targets a non-catalytic allosteric cysteine C23 in the K48 ubiquitin-specific deubiquitinase OTUB1. We then developed a heterobifunctional DUBTAC consisting of our EN523 OTUB1 recruiter linked to lumacaftor, a drug used to treat cystic fibrosis that binds ΔF508-CFTR. We demonstrated proof-of-concept of TPS by showing that this DUBTAC robustly stabilized ΔF508-CFTR in human cystic fibrosis bronchial epithelial cells in an OTUB1-dependent manner. Our study underscores the utility of chemoproteomics-enabled covalent ligand discovery approaches to develop new induced proximity-based therapeutic modalities and introduces the DUBTAC platform for TPS. Editorial summary We have developed the Deubiquitinase Targeting Chimera (DUBTAC) platform for targeted protein stabilization. We have discovered a covalent recruiter against the deubiquitinase OTUB1 that we have linked to the mutant ΔF508-CFTR targeting cystic fibrosis drug Lumacaftor to stabilize mutant CFTR protein in cells.

Abstract Nimbolide, a terpenoid natural product derived from the Neem tree, impairs cancer pathogenicity across many types of human cancers; however, the direct targets and mechanisms by which nimbolide exerts its effects are poorly understood. Here, we used activity-based protein profiling (ABPP) chemoproteomic platforms to discover that nimbolide reacts with a novel functional cysteine crucial for substrate recognition in the E3 ubiquitin ligase RNF114. Nimbolide impairs breast cancer cell proliferation in-part by disrupting RNF114 substrate recognition, leading to inhibition of ubiquitination and degradation of the tumor-suppressors such as p21, resulting in their rapid stabilization. We further demonstrate that nimbolide can be harnessed to recruit RNF114 as an E3 ligase in targeted protein degradation applications and show that synthetically simpler scaffolds are also capable of accessing this unique reactive site. Our study highlights the utility of ABPP platforms in uncovering unique druggable modalities accessed by natural products for cancer therapy and targeted protein degradation applications.

Abstract While vaccines and antivirals are now being deployed for the current SARS-CoV-2 pandemic, we require additional antiviral therapeutics to not only effectively combat SARS-CoV-2 and its variants, but also future coronaviruses. All coronaviruses have relatively similar genomes that provide a potential exploitable opening to develop antiviral therapies that will be effective against all coronaviruses. Among the various genes and proteins encoded by all coronaviruses, one particularly “druggable” or relatively easy-to-drug target is the coronavirus Main Protease (3CL pro or Mpro), an enzyme that is involved in cleaving a long peptide translated by the viral genome into its individual protein components that are then assembled into the virus to enable viral replication in the cell. Inhibiting Mpro with a small-molecule antiviral would effectively stop the ability of the virus to replicate, providing therapeutic benefit. In this study, we have utilized activity-based protein profiling (ABPP)-based chemoproteomic approaches to discover and further optimize cysteine-reactive pyrazoline-based covalent inhibitors for the SARS-CoV-2 Mpro. Structure-guided medicinal chemistry and modular synthesis of di- and tri-substituted pyrazolines bearing either chloroacetamide or vinyl sulfonamide cysteine-reactive warheads enabled the expedient exploration of structure-activity relationships (SAR), yielding nanomolar potency inhibitors against Mpro from not only SARS-CoV-2, but across many other coronaviruses. Our studies highlight promising chemical scaffolds that may contribute to future pan-coronavirus inhibitors.

Abstract Targeted protein degradation has arisen as a powerful strategy for drug discovery allowing the targeting of undruggable proteins for proteasomal degradation. This approach most often employs heterobifunctional degraders consisting of a protein-targeting ligand linked to an E3 ligase recruiter to ubiquitinate and mark proteins of interest for proteasomal degradation. One challenge with this approach, however, is that only few E3 ligase recruiters currently exist for targeted protein degradation applications, despite the hundreds of known E3 ligases in the human genome. Here, we utilized activity-based protein profiling (ABPP)-based covalent ligand screening approaches to identify cysteine-reactive small-molecules that react with the E3 ubiquitin ligase RNF4 and provide chemical starting points for the design of RNF4-based degraders. The hit covalent ligand from this screen reacted with either of two zinc-coordinating cysteines in the RING domain, C132 and C135, with no effect on RNF4 activity. We further optimized the potency of this hit and incorporated this potential RNF4 recruiter into a bifunctional degrader linked to JQ1, an inhibitor of the BET family of bromodomain proteins. We demonstrate that the resulting compound CCW 28-3 is capable of degrading BRD4 in a proteasome- and RNF4-dependent manner. In this study, we have shown the feasibility of using chemoproteomics-enabled covalent ligand screening platforms to expand the scope of E3 ligase recruiters that can be exploited for targeted protein degradation applications.

Abstract Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), the causative agent of coronavirus disease 2019 (COVID-19), has emerged as a major global health threat. The COVID-19 pandemic has resulted in over 80 million cases and 1.7 million deaths to date while the number of cases continues to rise. With limited therapeutic options, the identification of safe and effective therapeutics is urgently needed. The repurposing of known clinical compounds holds the potential for rapid identification of drugs effective against SARS-CoV-2. Here we utilized a library of FDA-approved and well-studied preclinical and clinical compounds to screen for antivirals against SARS-CoV-2 in human pulmonary epithelial cells. We identified 13 compounds that exhibit potent antiviral activity across multiple orthogonal assays. Hits include known antivirals, compounds with anti-inflammatory activity, and compounds targeting host pathways such as kinases and proteases critical for SARS-CoV-2 replication. We identified seven compounds not previously reported to have activity against SARS-CoV-2, including B02, a human RAD51 inhibitor. We further demonstrated that B02 exhibits synergy with remdesivir, the only antiviral approved by the FDA to treat COVID-19, highlighting the potential for combination therapy. Taken together, our comparative compound screening strategy highlights the potential of drug repurposing screens to identify novel starting points for development of effective antiviral mono- or combination therapies to treat COVID-19.