The 3D structures of human therapeutic targets are enabling for drug discovery. However, their purification and crystallization remain rate determining. In individual cases, ligands have been used to increase the success rate of protein purification and crystallization, but the broad applicability of this approach is unknown. We implemented two screening platforms, based on either fluorimetry or static light scattering, to measure the increase in protein thermal stability upon binding of a ligand without the need to monitor enzyme activity. In total, 221 different proteins from humans and human parasites were screened against one or both of two sorts of small-molecule libraries. The first library comprised different salts, pH conditions, and commonly found small molecules and was applicable to all proteins. The second comprised compounds specific for protein families of particular interest (e.g., protein kinases). In 20 cases, including nine unique human protein kinases, a small molecule was identified that stabilized the proteins and promoted structure determination. The methods are cost-effective, can be implemented in any laboratory, promise to increase the success rates of purifying and crystallizing human proteins significantly, and identify new ligands for these proteins.

Protein lysine methyltransferases modulate the activities of chromatin and non-chromatin proteins by specific methylation of lysine side chains. A large-scale structure-based design approach has yielded a new chemical probe that potently and selectively inhibits G9a and GLP methyltransferases in cells. Protein lysine methyltransferases G9a and GLP modulate the transcriptional repression of a variety of genes via dimethylation of Lys9 on histone H3 (H3K9me2) as well as dimethylation of non-histone targets. Here we report the discovery of UNC0638, an inhibitor of G9a and GLP with excellent potency and selectivity over a wide range of epigenetic and non-epigenetic targets. UNC0638 treatment of a variety of cell lines resulted in lower global H3K9me2 levels, equivalent to levels observed for small hairpin RNA knockdown of G9a and GLP with the functional potency of UNC0638 being well separated from its toxicity. UNC0638 markedly reduced the clonogenicity of MCF7 cells, reduced the abundance of H3K9me2 marks at promoters of known G9a-regulated endogenous genes and disproportionately affected several genomic loci encoding microRNAs. In mouse embryonic stem cells, UNC0638 reactivated G9a-silenced genes and a retroviral reporter gene in a concentration-dependent manner without promoting differentiation.

Abstract The novel severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2), which causes Coronavirus Disease 2019 (COVID-19), has caused a global pandemic. Antibodies are powerful biotherapeutics to fight viral infections; however, discovery of the most potent and broadly acting clones can be lengthy. Here, we used the human apoferritin protomer as a modular subunit to drive oligomerization of antibody fragments and transform antibodies targeting SARS-CoV-2 into exceptionally potent neutralizers. Using this platform, half-maximal inhibitory concentration (IC 50 ) values as low as 9 × 10 −14 M were achieved as a result of up to 10,000-fold potency enhancements. Combination of three different antibody specificities and the fragment crystallizable (Fc) domain on a single multivalent molecule conferred the ability to overcome viral sequence variability together with outstanding potency and Ig-like in vivo bioavailability. This MULTi-specific, multi-Affinity antiBODY (Multabody; or MB) platform contributes a new class of medical countermeasures against COVID-19 and an efficient approach to rapidly deploy potent and broadly-acting therapeutics against infectious diseases of global health importance. One Sentence Summary multimerization platform transforms antibodies emerging from discovery screens into potent neutralizers that can overcome SARS-CoV-2 sequence diversity.

ABSTRACT The intrinsically disordered 4E-BP2 protein regulates mRNA cap-dependent translation through the interaction with the predominantly folded eukaryotic initiation factor 4E (eIF4E). Phosphorylation of 4E-BP2 dramatically reduces eIF4E binding, in part by stabilizing a binding- incompatible folded domain (REF). Here, we used a Rosetta-based sampling algorithm optimized for IDRs to generate initial ensembles for two phospho forms of 4E-BP2, non- and five-fold phosphorylated (NP and 5P, respectively), with the 5P folded domain flanked by N- and C-terminal IDRs (N-IDR and C-IDR, respectively). We then applied an integrative Bayesian approach to obtain NP and 5P conformational ensembles that agree with experimental data from nuclear magnetic resonance, small-angle X-ray scattering and single-molecule Förster resonance energy transfer (smFRET). For the NP state, inter-residue distance scaling and 2D maps revealed the role of charge segregation and pi interactions in driving contacts between distal regions of the chain (∼70 residues apart). The 5P ensemble shows prominent contacts of the N-IDR region with the two phosphosites in the folded domain, pT37 and pT46, and, to a lesser extent, delocalized interactions with the C-IDR region. Agglomerative hierarchical clustering led to partitioning of each of the two ensembles into four clusters, with different global dimensions and contact maps. This helped delineate an NP cluster that, based on our smFRET data, is compatible with the eIF4E-bound state. 5P clusters were differentiated by interactions of C-IDR with the folded domain and of the N-IDR with the two phosphosites in the folded domain. Our study provides both a better visualization of fundamental structural poses of 4E-BP2 and a set of falsifiable insights on intrachain interactions that bias folding and binding of this protein.

Wnt signaling is critically dependent on dishevelled proteins (DVL1-3), which are required to assemble an intracellular Wnt signalosome at the plasma membrane. The levels of dishevelled proteins are strictly regulated by multiple E3 ubiquitin ligases that target DVL1-3 for ubiquitination and proteasomal degradation. The BTB-Kelch family protein KLHL12 is a substrate-specific adaptor for a Cullin-RING E3 ligase complex that contains Cullin3 and Rbx1. KLHL12 was the first E3 ligase to be identified for DVL1-3, but the molecular mechanisms determining its substrate interactions have remained unknown. Here, we mapped the interaction of DVL1-3 to a PGXPP motif that is conserved in other known partners and substrates of KLHL12, including PLEXHA4, PEF1 and SEC31. A 20-mer peptide containing the DVL1 motif bound to the Kelch domain of KLHL12 with low micromolar affinity. In cells, the mutation or deletion of this motif caused a striking reduction in the binding, ubiquitination and stability of DVL1 confirming this sequence as a degron motif for KLHL12 recruitment. To determine the binding mechanism we solved a 2.4 crystal structure of the Kelch domain of KLHL12 in complex with a DVL1 peptide. The structure revealed that the DVL1 substrate adopted a U-shaped turn conformation that enabled hydrophobic interactions with all six blades of the Kelch domain -propeller. Overall, these results define the molecular mechanisms determining DVL regulation by KLHL12 and establish the KLHL12 Kelch domain as a new protein interaction module for a novel proline-rich motif.