5-Methylthioadenosine phosphorylase (MTAP) is a key enzyme in the methionine salvage pathway. The MTAP gene is frequently deleted in human cancers because of its chromosomal proximity to the tumor suppressor gene CDKN2A. By interrogating data from a large-scale short hairpin RNA-mediated screen across 390 cancer cell line models, we found that the viability of MTAP-deficient cancer cells is impaired by depletion of the protein arginine methyltransferase PRMT5. MTAP-deleted cells accumulate the metabolite methylthioadenosine (MTA), which we found to inhibit PRMT5 methyltransferase activity. Deletion of MTAP in MTAP-proficient cells rendered them sensitive to PRMT5 depletion. Conversely, reconstitution of MTAP in an MTAP-deficient cell line rescued PRMT5 dependence. Thus, MTA accumulation in MTAP-deleted cancers creates a hypomorphic PRMT5 state that is selectively sensitized toward further PRMT5 inhibition. Inhibitors of PRMT5 that leverage this dysregulated metabolic state merit further investigation as a potential therapy for MTAP/CDKN2A-deleted tumors.

High-content screening is transforming drug discovery by enabling simultaneous measurement of multiple features of cellular phenotype that are relevant to therapeutic and toxic activities of compounds. High-content screening studies typically generate immense datasets of image-based phenotypic information, and how best to mine relevant phenotypic data is an unsolved challenge. Here, we introduce factor analysis as a data-driven tool for defining cell phenotypes and profiling compound activities. This method allows a large data reduction while retaining relevant information, and the data-derived factors used to quantify phenotype have discernable biological meaning. We used factor analysis of cells stained with fluorescent markers of cell cycle state to profile a compound library and cluster the hits into seven phenotypic categories. We then compared phenotypic profiles, chemical similarity and predicted protein binding activities of active compounds. By integrating these different descriptors of measured and potential biological activity, we can effectively draw mechanism-of-action inferences.

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.

Cephalostatin 1, OSW-1, ritterazine B and schweinfurthin A are natural products that potently, and in some cases selectively, inhibit the growth of cultured human cancer cell lines. The cellular targets of these small molecules have yet to be identified. We have discovered that these molecules target oxysterol binding protein (OSBP) and its closest paralog, OSBP-related protein 4L (ORP4L)--proteins not known to be involved in cancer cell survival. OSBP and the ORPs constitute an evolutionarily conserved protein superfamily, members of which have been implicated in signal transduction, lipid transport and lipid metabolism. The functions of OSBP and the ORPs, however, remain largely enigmatic. Based on our findings, we have named the aforementioned natural products ORPphilins. Here we used ORPphilins to reveal new cellular activities of OSBP. The ORPphilins are powerful probes of OSBP and ORP4L that will be useful in uncovering their cellular functions and their roles in human diseases.

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.