B-cell lymphoma extra large (BCL-XL) is a well-validated cancer target. However, the on-target and dose-limiting thrombocytopenia limits the use of BCL-XL inhibitors, such as ABT263, as safe and effective anticancer agents. To reduce the toxicity of ABT263, we converted it into DT2216, a BCL-XL proteolysis-targeting chimera (PROTAC), that targets BCL-XL to the Von Hippel-Lindau (VHL) E3 ligase for degradation. We found that DT2216 was more potent against various BCL-XL-dependent leukemia and cancer cells but considerably less toxic to platelets than ABT263 in vitro because VHL is poorly expressed in platelets. In vivo, DT2216 effectively inhibits the growth of several xenograft tumors as a single agent or in combination with other chemotherapeutic agents, without causing appreciable thrombocytopenia. These findings demonstrate the potential to use PROTAC technology to reduce on-target drug toxicities and rescue the therapeutic potential of previously undruggable targets. Furthermore, DT2216 may be developed as a safe first-in-class anticancer agent targeting BCL-XL.

Accumulating evidence indicates that senescent cells play an important role in many age-associated diseases. The pharmacological depletion of senescent cells (SCs) with a "senolytic agent", a small molecule that selectively kills SCs, is a potential novel therapeutic approach for these diseases. Recently, we discovered ABT-263, a potent and highly selective senolytic agent, by screening a library of rationally-selected compounds. With this screening approach, we also identified a second senolytic agent called piperlongumine (PL). PL is a natural product that is reported to have many pharmacological effects, including anti-tumor activity. We show here that PL preferentially killed senescent human WI-38 fibroblasts when senescence was induced by ionizing radiation, replicative exhaustion, or ectopic expression of the oncogene Ras. PL killed SCs by inducing apoptosis, and this process did not require the induction of reactive oxygen species. In addition, we found that PL synergistically killed SCs in combination with ABT-263, and initial structural modifications to PL identified analogs with improved potency and/or selectivity in inducing SC death. Overall, our studies demonstrate that PL is a novel lead for developing senolytic agents.

Abstract Small molecules that selectively kill senescent cells (SCs), termed senolytics, have the potential to prevent and treat various age-related diseases and extend healthspan. The use of Bcl-xl inhibitors as senolytics is largely limited by their on-target and dose-limiting platelet toxicity. Here, we report the use of proteolysis-targeting chimera (PROTAC) technology to reduce the platelet toxicity of navitoclax (also known as ABT263), a Bcl-2 and Bcl-xl dual inhibitor, by converting it into PZ15227 (PZ), a Bcl-xl PROTAC, which targets Bcl-xl to the cereblon (CRBN) E3 ligase for degradation. Compared to ABT263, PZ is less toxic to platelets, but equally or slightly more potent against SCs because CRBN is poorly expressed in platelets. PZ effectively clears SCs and rejuvenates tissue stem and progenitor cells in naturally aged mice without causing severe thrombocytopenia. With further improvement, Bcl-xl PROTACs have the potential to become safer and more potent senolytic agents than Bcl-xl inhibitors.

SUMMARY PROteolysis Targeting Chimeras (PROTACs) are bifunctional molecules that degrade target proteins through recruiting E3 ligases. However, their application is limited in part because few E3 ligases can be recruited by known E3 ligase ligands. In this study, we identified piperlongumine (PL), a natural product, as a covalent E3 ligase recruiter, which induces CDK9 degradation when it is conjugated with SNS-032, a CDK9 inhibitor. The lead conjugate 955 can potently degrade CDK9 in a ubiquitin-proteasome-dependent manner and is much more potent than SNS-032 against various tumor cells in vitro . Mechanistically, we identified KEAP1 as the E3 ligase recruited by 955 to degrade CDK9 through a TurboID-based proteomics study, which was further confirmed by KEAP1 knockout and the nanoBRET ternary complex formation assay. In addition, PL-Ceritinib conjugate can degrade EML4-ALK fusion oncoprotein, suggesting that PL may have a broader application as a covalent E3 ligase ligand in targeted protein degradation.

Proteolysis targeting chimeras (PROTACs) are heterobifunctional small-molecule degraders made of a linker connecting a target-binding moiety to a ubiquitin E3 ligase-binding moiety. The linker unit is known to influence the physicochemical and pharmacokinetic properties of PROTACs, as well as the properties of ternary complexes, in turn impacting on their degradation activity in cells and in vivo. Our LRRK2 PROTAC XL01126, bearing a trans-cyclohexyl group in the linker, is a better and more cooperative degrader than its corresponding cis- analogue despite its much weaker binary binding affinities. Here, we investigate how this subtle stereocenter alteration in the linker affects the ligand binding affinity to the E3 ligase VHL. We designed a series of molecular matched pairs, truncating from the full PROTACs down to the VHL ligand, and find that across the series the trans-cyclohexyl compounds showed consistently weaker VHL-binding affinity compared to the cis- counterparts. High-resolution co-crystal structures revealed that the trans linker exhibits a rigid stick-out conformation, while the cis linker collapses into a folded-back conformation featuring a network of intramolecular contacts and long-range interactions with VHL. These observations are noteworthy as they reveal how a single stereochemical inversion within a PROTAC linker impacts conformational rigidity and binding mode, in turn fine-tuning differentiated propensity to binary and ternary complex formation, and ultimately cellular degradation activity.