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.

ABSTRACT Small-cell lung cancer (SCLC) is an aggressive malignancy with limited therapeutic options. The dismal prognosis in SCLC is in part associated with an upregulation of BCL-2 family anti-apoptotic proteins, including BCL-X L and MCL-1. Unfortunately, the currently available inhibitors of BCL-2 family anti-apoptotic proteins, except BCL-2 inhibitors, are not clinically relevant because of various on-target toxicities. We, therefore, aimed to develop an effective and safe strategy targeting these anti-apoptotic proteins with DT2216 (our platelet-sparing BCL-X L degrader) and AZD8055 (an mTOR inhibitor) to avoid associated on-target toxicities while synergistically optimizing tumor response. Through BH3 mimetic screening, we identified a subset of SCLC cell lines that is co-dependent on BCL-X L and MCL-1. After screening inhibitors of selected tumorigenic pathways, we found that AZD8055 selectively downregulates MCL-1 in SCLC cells and its combination with DT2216 synergistically killed BCL-X L /MCL-1 co-dependent SCLC cells, but not normal cells. Mechanistically, the combination caused BCL-X L degradation and suppression of MCL1 expression, and thus disrupted MCL-1 interaction with BIM leading to an enhanced apoptotic induction. In vivo , DT2216+AZD8055 combination significantly inhibited the growth of cell line-derived and patient-derived xenografts and reduced tumor burden accompanied with extended survival in a genetically-engineered mouse (GEM) model of SCLC without causing significant thrombocytopenia or other normal tissue injury. Thus, these preclinical findings lay a strong foundation for future clinical studies to test DT2216+mTOR inhibitor combination in a subset of SCLC patients whose tumors are co-driven by BCL-X L and MCL-1.

Clustering enzymes in the same metabolism pathway is a natural strategy to enhance the productivity. Several systems have been designed to artificially cluster desired enzymes in the cell, such as synthetic protein scaffold and nucleic acid scaffold. However, these scaffolds require complicated construction process and have limited slots for target enzymes. Following this direction, we designed a scaffold system based on natural cell membrane. Target enzymes (FabZ, FabG, FabI and TesA in fatty acid synthesis II pathway) are anchored on the E.coli inner membrane, showing the enhanced metabolism flux without the requirement of the further artificial interactions to force the clustering. Furthermore, anchoring the enzymes on the membrane enhances the products exportation, which further increases the productivity. Together, the proposed system has potential applications in producing valuable biomaterials.