Cancer genomes are rife with genetic variants; one key outcome of this variation is gain-ofcysteine, which is the most frequently acquired amino acid due to missense variants in COSMIC. Acquired cysteines are both driver mutations and sites targeted by precision therapies. However, despite their ubiquity, nearly all acquired cysteines remain uncharacterized. Here, we pair cysteine chemoproteomics-a technique that enables proteome-wide pinpointing of functional, redox sensitive, and potentially druggable residues-with genomics to reveal the hidden landscape of cysteine acquisition. For both cancer and healthy genomes, we find that cysteine acquisition is a ubiquitous consequence of genetic variation that is further elevated in the context of decreased DNA repair. Our chemoproteogenomics platform integrates chemoproteomic, whole exome, and RNA-seq data, with a customized 2-stage false discovery rate (FDR) error controlled proteomic search, further enhanced with a user-friendly FragPipe interface. Integration of CADD predictions of deleteriousness revealed marked enrichment for likely damaging variants that result in acquisition of cysteine. By deploying chemoproteogenomics across eleven cell lines, we identify 116 gain-of-cysteines, of which 10 were liganded by electrophilic druglike molecules. Reference cysteines proximal to missense variants were also found to be pervasive, 791 in total, supporting heretofore untapped opportunities for proteoform-specific chemical probe development campaigns. As chemoproteogenomics is further distinguished by sample-matched combinatorial variant databases and compatible with redox proteomics and small molecule screening, we expect widespread utility in guiding proteoform-specific biology and therapeutic discovery.

Caspases are a highly conserved family of cysteine-aspartyl proteases known for their essential roles in regulating apoptosis, inflammation, cell differentiation, and proliferation. Complementary to genetic approaches, small-molecule probes have emerged as useful tools for modulating caspase activity. However, due to the high sequence and structure homology of all 12 human caspases, achieving selectivity remains a central challenge for caspase-directed small-molecule inhibitor development efforts. Here, using mass spectrometry-based chemoproteomics, we first identify a highly reactive noncatalytic cysteine that is unique to caspase-2. By combining both gel-based activity-based protein profiling (ABPP) and a tobacco etch virus (TEV) protease activation assay, we then identify covalent lead compounds that react preferentially with this cysteine and afford a complete blockade of caspase-2 activity. Inhibitory activity is restricted to the zymogen or precursor form of monomeric caspase-2. Focused analogue synthesis combined with chemoproteomic target engagement analysis in cellular lysates and in cells yielded both pan-caspase-reactive molecules and caspase-2 selective lead compounds together with a structurally matched inactive control. Application of this focused set of tool compounds to stratify the functions of the zymogen and partially processed (p32) forms of caspase-2 provide evidence to support that caspase-2-mediated response to DNA damage is largely driven by the partially processed p32 form of the enzyme. More broadly, our study highlights future opportunities for the development of proteoform-selective caspase inhibitors that target nonconserved and noncatalytic cysteine residues.

An electrophilic arginine mimetic, 2-chloroacetamidine (CAM), was deployed to enable trypsin-mediated proteolysis at cysteine residues and to enhance mass spectrometry-based proteomic detection of cysteine-containing peptides. Illustrating the value of the CAM-capping strategy, proteogenomic analysis using a two-stage false discovery rate (FDR) search revealed >50% enhanced coverage of missense variants, when compared to established workflows.

ABSTRACT Caspases are a highly conserved family of cysteine-aspartyl proteases known for their essential roles in regulating apoptosis, inflammation, cell differentiation, and proliferation. Complementary to genetic approaches, small-molecule probes have emerged as useful tools for modulating caspase activity. However, due to the high sequence and structure homology of all twelve human caspases, achieving selectivity remains a central challenge for caspase-directed small-molecule inhibitor development efforts. Here, using mass spectrometry-based chemoproteomics, we first identify a highly reactive non-catalytic cysteine that is unique to caspase-2. By combining both gel-based activity-based protein profiling (ABPP) and a tobacco etch virus (TEV) protease activation assay, we then identify covalent lead compounds that react preferentially with this cysteine and afford a complete blockade of caspase-2 activity. Inhibitory activity is restricted to the zymogen or precursor form of monomeric caspase-2. Focused analogue synthesis combined with chemoproteomic target engagement analysis in cellular lysates and in cells yielded both pan-caspase reactive molecules and caspase-2 selective lead compounds together with a structurally matched inactive control. Application of this focused set of tool compounds to stratify caspase contributions to initiation of intrinsic apoptosis, supports compensatory caspase-9 activity in the context of caspase-2 inactivation. More broadly, our study highlights future opportunities for the development of proteoform-selective caspase inhibitors that target non-conserved and non-catalytic cysteine residues.