Targeted protein degradation (TPD) is an emerging therapeutic strategy that would benefit from new chemical entities with which to recruit a wider variety of ubiquitin E3 ligases to target proteins for proteasomal degradation. Here, we describe a TPD strategy involving the recruitment of FBXO22 to induce degradation of the histone methyltransferase and oncogene NSD2. UNC8732 facilitates FBXO22-mediated degradation of NSD2 in acute lymphoblastic leukemia cells harboring the NSD2 gain of function mutation p.E1099K, resulting in growth suppression, apoptosis, and reversal of drug resistance. The primary amine of UNC8732 is metabolized to an aldehyde species, which engages C326 of FBXO22 in a covalent and reversible manner to recruit the SCF FBXO22 Cullin complex. We further demonstrate that a previously reported alkyl amine-containing degrader targeting XIAP is similarly dependent on SCF FBXO22 . Overall, we present a highly potent NSD2 degrader for the exploration of NSD2 disease phenotypes and a novel FBXO22-dependent TPD strategy.

Abstract NSD2 is the primary enzyme responsible for the dimethylation of lysine 36 of histone 3 (H3K36me2), a mark associated with active gene transcription and intergenic DNA methylation. In addition to a methyltransferase domain, NSD2 harbors two PWWP and five PHD domains believed to serve as chromatin reading modules, but their exact function in the regulation of NSD2 activity remains underexplored. Here we report a first-in-class chemical probe targeting the N-terminal PWWP (PWWP1) domain of NSD2. UNC6934 binds potently (K d of 91 ± 8 nM) to PWWP1, antagonizes its interaction with nucleosomal H3K36me2, and selectively engages endogenous NSD2 in cells. Crystal structures show that UNC6934 occupies the canonical H3K36me2-binding pocket of PWWP1 which is juxtaposed to the DNA-binding surface. In cells, UNC6934 induces accumulation of endogenous NSD2 in the nucleolus, phenocopying the localization defects of NSD2 protein isoforms lacking PWWP1 as a result of translocations prevalent in multiple myeloma. Mutation of other NSD2 chromatin reader domains also increases NSD2 nucleolar localization, and enhances the effect of UNC6934 . Finally we identified two C-terminal nucleolar localization sequences in NSD2 that appear to drive nucleolar accumulation when one or more chromatin reader domains are disabled. These data support a model in which NSD2 chromatin engagement is achieved in a cooperative manner and subcellular localization is controlled by multiple competitive structural determinants. This chemical probe and the accompanying negative control, UNC7145 , will be useful tools in defining NSD2 biology.

ABSTRACT Increased activity of the lysine methyltrans-ferase NSD2 driven by translocation and activating mutations is associated with multiple myeloma and acute lymphoblastic leukemia, but no NSD2-targeting chemical probe has been reported to date. Here, we present the first antagonists that block the protein-protein interaction between the N-terminal PWWP domain of NSD2 and H3K36me2. Using virtual screening and experimental validation, we identified the small-molecule antagonist 3f , which binds to the NSD2-PWWP1 domain with a K d of 3.4 μM and abrogates histone H3K36me2 binding in cells. This study establishes an alternative approach to targeting NSD2 and provides a small-molecule antagonist that can be further optimized into a chemical probe to better understand the cellular function of this protein.