An essential mechanism for SARS-CoV-1 and -2 infection begins with the viral spike protein binding to the human receptor protein angiotensin-converting enzyme II (ACE2). Here we describe a stepwise engineering approach to generate a set of affinity optimized, enzymatically inactivated ACE2 variants that potently block SARS-CoV-2 infection of cells. These optimized receptor traps tightly bind the receptor binding domain (RBD) of the viral spike protein and prevent entry into host cells. We first computationally designed the ACE2-RBD interface using a two-stage flexible protein backbone design process that improved affinity for the RBD by up to 12-fold. These designed receptor variants were affinity matured an additional 14-fold by random mutagenesis and selection using yeast surface display. The highest affinity variant contained seven amino acid changes and bound to the RBD 170-fold more tightly than wild-type ACE2. With the addition of the natural ACE2 collectrin domain and fusion to a human Fc domain for increased stabilization and avidity, the most optimal ACE2 receptor traps neutralized SARS-CoV-2 pseudotyped lentivirus and authentic SARS-CoV-2 virus with half-maximal inhibitory concentrations (IC50) in the 10-100 ng/ml range. Engineered ACE2 receptor traps offer a promising route to fighting infections by SARS-CoV-2 and other ACE2-utilizing coronaviruses, with the key advantage that viral resistance would also likely impair viral entry. Moreover, such traps can be predesigned for viruses with known entry receptors for faster therapeutic response without the need for neutralizing antibodies isolated or generated from convalescent patients.

Abstract The endosome-lysosome (endolysosome) system plays central roles in both autophagic degradation and secretory pathways, including the exocytic release of extracellular vesicles and particles (EVPs). Although previous work has revealed important interconnections between autophagy and EVP-mediated secretion, our molecular understanding of these secretory events during endolysosome inhibition remains incomplete. Here, we delineate a secretory autophagy pathway upregulated in response to endolysosomal inhibition that mediates the EVP-associated extracellular release of autophagic cargo receptors, including p62/SQSTM1. This extracellular secretion is highly regulated and critically dependent on multiple ATGs required for the progressive steps of early autophagosome formation as well as Rab27a-dependent exocytosis. Furthermore, the disruption of autophagosome maturation, either due to genetic inhibition of the autophagosome-to-autolyosome fusion machinery or blockade via the SARS-CoV2 viral protein ORF3a, is sufficient to induce robust EVP-associated secretion of autophagy cargo receptors. Finally, we demonstrate that this ATG-dependent, EVP-mediated secretion pathway buffers against the intracellular accumulation of autophagy cargo receptors when classical autophagic degradation is impaired. Based on these results, we propose that secretory autophagy via EVPs functions as an alternate route to clear sequestered material and maintain proteostasis in response to endolysosomal dysfunction or impaired autophagosome maturation.

Abstract In mammalian cells, mitochondrial dysfunction triggers the integrated stress response (ISR), in which eIF2α phosphorylation upregulates the transcription factor ATF4. However, how mitochondrial stress is relayed to the ISR is unknown. We found that HRI is the eIF2α kinase necessary and sufficient for this relay. Using an unbiased CRISPRi screen, we identified factors upstream of HRI: OMA1, a mitochondrial stress-activated protease, and DELE1, a little-characterized protein we found to be associated with the inner mitochondrial membrane. Mitochondrial stress stimulates the OMA1-dependent cleavage of DELE1, leading to its accumulation in the cytosol, where it interacts with HRI and activates its eIF2α kinase activity. Blockade of the OMA1-DELE1-HRI pathway is beneficial during some, but not all types of mitochondrial stress, and leads to an alternative response that induces specific molecular chaperones. Therefore, this pathway is a potential therapeutic target enabling fine-tuning of the ISR for beneficial outcomes in diseases involving mitochondrial dysfunction.

Abstract Primary tissue organoids and cell spheroids recapitulate tissue physiology with remarkable fidelity. We investigated how engagement with a three dimensional laminin-rich extracellular matrix supports the polarized, stress resilient spheroid phenotype of mammary epithelial cells. Cells within a three dimensional laminin-rich extracellular matrix decreased and redistributed the actin crosslinker filamin to reduce their cortical actin tension. Cells with low cortical actin tension had increased plasma membrane protrusions that promoted negative plasma membrane curvature and fostered protein associations with the plasma membrane, consistent with efficient protein secretion. By contrast, cells engaging a laminin-rich extracellular matrix in two dimensions had high filamin-dependent cortical actin tension, exhibited compromised endoplasmic reticulum function including increased expression of PKR-like Endoplasmic Reticulum Kinase signaling effectors, and had compromised protein secretion. Cells with low filamin-mediated cortical actin tension and reduced endoplasmic reticulum stress response signaling secreted, and assembled, a polarized endogenous basement membrane and survived better, and their spheroids were more resistant to exogenous stress. The findings implicate filamin-dependent cortical actin tension in endoplasmic reticulum function and highlight a role for mechanics in organoid homeostasis.

ABSTRACT Safely expanding indications for cellular therapies has been challenging given a lack of highly cancer-specific surface markers. Here, we explore the hypothesis that tumor cells express cancer-specific surface protein conformations, invisible to standard target discovery pipelines evaluating gene or protein expression, that can be identified and immunotherapeutically targeted. We term this strategy, integrating cross-linking mass spectrometry (XL-MS) with glycoprotein surface capture, “structural surfaceomics”. As a proof of principle, we apply this technology to acute myeloid leukemia, a hematologic malignancy with dismal outcomes and no known optimal immunotherapy target. We identify the activated conformation of integrin-β2 as a structurally-defined, widely-expressed, AML-specific target. We develop and characterize recombinant antibodies to this protein conformation, and show that chimeric antigen receptor (CAR) T-cells eliminate AML cells and patient-derived xenografts without notable toxicity versus normal hematopoietic cells. Our findings validate an AML conformation-specific target antigen while demonstrating a toolkit for applying these strategies more broadly.

ABSTRACT A major driver of multiple myeloma is thought to be aberrant signaling, yet no kinase inhibitors have proven successful in the clinic. Here, we employ an integrated, systems approach combining phosphoproteomic and transcriptome analysis to dissect cellular signaling in multiple myeloma to inform precision medicine strategies. Collectively, these predictive models identify vulnerable signaling signatures and highlight surprising differences in functional signaling patterns between NRAS and KRAS mutants invisible to the genomic landscape. Transcriptional analysis suggests that aberrant MAPK pathway activation is only present in a fraction of RAS -mutated vs. WT RAS patients. These high-MAPK patients, enriched for NRAS Q61 mutations, have inferior outcomes whereas RAS mutations overall carry no survival impact. We further develop an interactive software tool to relate pharmacologic and genetic kinase dependencies in myeloma. These results may lead to improved stratification of MM patients in clinical trials while also revealing unexplored modes of Ras biology.

Abstract CD38 is a surface ectoenzyme expressed at high levels on myeloma plasma cells and is the target for the monoclonal antibodies (mAbs) daratumumab and isatuximab. CD38 density on tumor cells is an important determinant of mAb efficacy, and CD38 loss after mAb treatment may play a role in resistance. Several small molecules have been found to increase tumor surface CD38, with the goal of boosting mAb efficacy in a co-treatment strategy. Here we sought to extend our currently limited insight into CD38 surface expression by using a multi-omics approach. Genome-wide CRISPR-interference screens integrated with patient-centered epigenetic analysis confirmed known regulators of CD38 , such as RARA, while revealing XBP1 and SPI1 as other key transcription factors governing surface CD38 levels. CD38 knockdown followed by cell surface proteomics demonstrated no significant remodeling of the myeloma “surfaceome” after genetically-induced loss of this antigen. Integrated transcriptome and surface proteome data confirmed high specificity of all-trans retinoic acid in upregulating CD38 in contrast to broader effects of azacytidine and panobinostat. Finally, unbiased phosphoproteomics identified inhibition of MAP kinase pathway signaling in tumor cells after daratumumab treatment. Our work provides a resource to design strategies to enhance efficacy of CD38-targeting immunotherapies in myeloma.

The myeloma bone marrow microenvironment promotes proliferation of malignant plasma cells and resistance to therapy. Interleukin-6 (IL-6) and downstream JAK/STAT signaling are thought to be central components of these microenvironment-induced phenotypes. In a prior drug repurposing screen, we identified tofacitinib, a pan-JAK inhibitor FDA-approved for rheumatoid arthritis, as an agent that may reverse the tumor-stimulating effects of bone marrow mesenchymal stromal cells. Here, we validated both in vitro, in stromal-responsive human myeloma cell lines, and in vivo, in orthotopic disseminated murine xenograft models of myeloma, that tofacitinib showed both single-agent and combination therapeutic efficacy in myeloma models. Surprisingly, we found that ruxolitinib, an FDA-approved agent targeting JAK1 and JAK2, did not lead to the same anti-myeloma effects. Combination with a novel irreversible JAK3-selective inhibitor also did not enhance ruxolitinib effects. RNA-seq and unbiased phosphoproteomics revealed that marrow stromal cells stimulate a JAK/STAT-mediated proliferative program in myeloma plasma cells, and tofacitinib reversed the large majority of these pro-growth signals. Taken together, our results suggest that tofacitinib specifically reverses the growth-promoting effects of the tumor microenvironment through blocking an IL-6-mediated signaling axis. As tofacitinib is already FDA-approved, these results can be rapidly translated into potential clinical benefits for myeloma patients.

Malignant transformation typically involves multiple genetic lesions whose combined activity gives rise to cancer1. Our analysis of 1,148 patient-derived B-cell leukemia (B-ALL) samples revealed that individual mutations did not promote leukemogenesis unless they converged on one single oncogenic pathway characteristic for the differentiation status of these transformed B cells. Specifically, we show here the JAK/STAT5 signaling pathway supports the developmental stage-specific expansion of pro-B ALL whereas the ERK-pathway that of pre-B ALL. Mutations that were not aligned with the central oncogenic driver would activate divergent pathways and subvert malignant transformation. Oncogenic lesions in B-ALL frequently mimic survival and proliferation signals downstream of cytokine receptors (through activation of STAT5)2-7 or the pre-B cell receptor (through activation of ERK)8-13. STAT5- (372 cases) and ERK- (386 cases) activating lesions were frequently found but only co-occurred in ~3% (37) of cases (P=2.2E-16). Single-cell mutation and phosphoprotein analyses revealed that even in these rare cases, oncogenic STAT5- or ERK-activation were mutually exclusive and segregated to competing clones. STAT5 and ERK engaged opposing biochemical and transcriptional programs orchestrated by MYC and BCL6, respectively. Genetic reactivation of the divergent (suppressed) pathway came at the expense of the principal oncogenic driver and reversed malignant transformation. Conversely, Cre-mediated deletion of divergent pathway components triggered leukemia-initiation and accelerated development of fatal disease. Thus, persistence of divergent signaling pathways represents a powerful barrier to malignant transformation while convergence on one principal driver defines a key event during leukemia-initiation. Proof-of-concept studies in patient-derived B-ALL cells revealed that pharmacological reactivation of suppressed divergent circuits strongly synergized with direct inhibition of the principal oncogenic driver. Hence, pharmacological reactivation of divergent pathways can be leveraged as a previously unrecognized strategy to deepen treatment responses and to overcome drug-resistance. Current treatment approaches for drug-resistant cancer are focused on drug-combinations to suppress the central oncogenic driver and multiple alternative pathways14-17. Here, we introduce a concept based on inhibition of the principal driver combined with pharmacological reactivation of divergent pathways.

Many small molecule chemotherapeutics induce stresses that globally inhibit mRNA translation, remodeling the cancer proteome and governing response to treatment. Here we measured protein synthesis in multiple myeloma cells treated with low-dose bortezomib by coupling pulsed-SILAC (pSILAC) with high-accuracy targeted quantitative proteomics. We found that direct measurement of protein synthesis by pSILAC correlated well with the indirect measurement of protein synthesis by ribosome profiling under conditions of robust translation. By developing a statistical model integrating longitudinal proteomic and mRNA-seq measurements, we found that proteomics could directly detect global alterations in translational rate as a function of therapy-induced stress after prolonged bortezomib exposure. Finally, the model we develop here, in combination with our experimental data including both protein synthesis and degradation, predicts changes in proteome remodeling under a variety of cellular perturbations. pSILAC therefore provides an important complement to ribosome profiling in directly measuring proteome dynamics under conditions of cellular stress.