Posttranslational modification of proteins with polyubiquitin occurs in diverse signaling pathways and is tightly regulated to ensure cellular homeostasis. Studies employing ubiquitin mutants suggest that the fate of polyubiquitinated proteins is determined by which lysine within ubiquitin is linked to the C terminus of an adjacent ubiquitin. We have developed linkage-specific antibodies that recognize polyubiquitin chains joined through lysine 63 (K63) or 48 (K48). A cocrystal structure of an anti-K63 linkage Fab bound to K63-linked diubiquitin provides insight into the molecular basis for specificity. We use these antibodies to demonstrate that RIP1, which is essential for tumor necrosis factor-induced NF-kappaB activation, and IRAK1, which participates in signaling by interleukin-1beta and Toll-like receptors, both undergo polyubiquitin editing in stimulated cells. Both kinase adaptors initially acquire K63-linked polyubiquitin, while at later times K48-linked polyubiquitin targets them for proteasomal degradation. Polyubiquitin editing may therefore be a general mechanism for attenuating innate immune signaling.

Ivona Aksentijevich and colleagues identify heterozygous loss-of-function mutations in TNFAIP3 (encoding A20) in six unrelated families with early-onset systemic inflammation. Affected individuals exhibit increased expression of NF-κB–mediated proinflammatory cytokines, consistent with the established role of A20 as a potent inhibitor of the NF-κB signaling pathway. Systemic autoinflammatory diseases are driven by abnormal activation of innate immunity1. Herein we describe a new disease caused by high-penetrance heterozygous germline mutations in TNFAIP3, which encodes the NF-κB regulatory protein A20, in six unrelated families with early-onset systemic inflammation. The disorder resembles Behçet's disease, which is typically considered a polygenic disorder with onset in early adulthood2. A20 is a potent inhibitor of the NF-κB signaling pathway3. Mutant, truncated A20 proteins are likely to act through haploinsufficiency because they do not exert a dominant-negative effect in overexpression experiments. Patient-derived cells show increased degradation of IκBα and nuclear translocation of the NF-κB p65 subunit together with increased expression of NF-κB–mediated proinflammatory cytokines. A20 restricts NF-κB signals via its deubiquitinase activity. In cells expressing mutant A20 protein, there is defective removal of Lys63-linked ubiquitin from TRAF6, NEMO and RIP1 after stimulation with tumor necrosis factor (TNF). NF-κB–dependent proinflammatory cytokines are potential therapeutic targets for the patients with this disease.

Abstract The anti-apoptotic protein MCL-1 is a key regulator of cancer cell survival and a known resistance factor for small-molecule BCL-2 family inhibitors such as ABT-263 (navitoclax), making it an attractive therapeutic target. However, directly inhibiting this target requires the disruption of high-affinity protein–protein interactions, and therefore designing small molecules potent enough to inhibit MCL-1 in cells has proven extremely challenging. Here, we describe a series of indole-2-carboxylic acids, exemplified by the compound A-1210477, that bind to MCL-1 selectively and with sufficient affinity to disrupt MCL-1–BIM complexes in living cells. A-1210477 induces the hallmarks of intrinsic apoptosis and demonstrates single agent killing of multiple myeloma and non-small cell lung cancer cell lines demonstrated to be MCL-1 dependent by BH3 profiling or siRNA rescue experiments. As predicted, A-1210477 synergizes with the BCL-2/BCL-X L inhibitor navitoclax to kill a variety of cancer cell lines. This work represents the first description of small-molecule MCL-1 inhibitors with sufficient potency to induce clear on-target cellular activity. It also demonstrates the utility of these molecules as chemical tools for dissecting the basic biology of MCL-1 and the promise of small-molecule MCL-1 inhibitors as potential therapeutics for the treatment of cancer.

Arabidopsis thaliana De-etiolated-1 (AtDET1) is a highly conserved protein, with orthologs in vertebrate and invertebrate organisms. AtDET1 negatively regulates photomorphogenesis, but its biochemical mechanism and function in other species are unknown. We report that human DET1 (hDET1) promotes ubiquitination and degradation of the proto-oncogenic transcription factor c-Jun by assembling a multisubunit ubiquitin ligase containing DNA Damage Binding Protein-1 (DDB1), cullin 4A (CUL4A), Regulator of Cullins-1 (ROC1), and constitutively photomorphogenic-1. Ablation of any subunit by RNA interference stabilized c-Jun and increased c-Jun–activated transcription. These findings characterize a c-Jun ubiquitin ligase and define a specific function for hDET1 in mammalian cells.

The development of selective ubiquitin-specific protease-7 (USP7) inhibitors GNE-6640 and GNE-6776, which induce tumour cell death and reveal differential kinetics of Lys-48 and Lys-63-linked ubiquitin chain depolymerization by USP7. Deubiquitinating enzymes remove the small modifier protein ubiquitin from target substrates regulating their stability. One such enzyme, USP7, is a potential target for anti-cancer therapy, as its inhibition would result in the degradation of the ubiquitinated oncoprotein MDM2, leading to reactivation of the tumour suppressor protein p53. However, selective inhibitors of USP7 have remained elusive. Here, Ingrid Wertz and team develop two USP7 inhibitors, providing structural insights into the mode of action of these compounds and demonstrating their toxicity towards tumour cells. Elsewhere in this issue, David Komander and colleagues independently report the identification of two small molecules that inhibit USP7 with high affinity and specificity both in vitro and within cells, also demonstrating their ability to inhibit tumour growth. The ubiquitin system regulates essential cellular processes in eukaryotes. Ubiquitin is ligated to substrate proteins as monomers or chains and the topology of ubiquitin modifications regulates substrate interactions with specific proteins. Thus ubiquitination directs a variety of substrate fates including proteasomal degradation1. Deubiquitinase enzymes cleave ubiquitin from substrates and are implicated in disease2; for example, ubiquitin-specific protease-7 (USP7) regulates stability of the p53 tumour suppressor and other proteins critical for tumour cell survival3. However, developing selective deubiquitinase inhibitors has been challenging4 and no co-crystal structures have been solved with small-molecule inhibitors. Here, using nuclear magnetic resonance-based screening and structure-based design, we describe the development of selective USP7 inhibitors GNE-6640 and GNE-6776. These compounds induce tumour cell death and enhance cytotoxicity with chemotherapeutic agents and targeted compounds, including PIM kinase inhibitors. Structural studies reveal that GNE-6640 and GNE-6776 non-covalently target USP7 12 Å distant from the catalytic cysteine. The compounds attenuate ubiquitin binding and thus inhibit USP7 deubiquitinase activity. GNE-6640 and GNE-6776 interact with acidic residues that mediate hydrogen-bond interactions with the ubiquitin Lys48 side chain5, suggesting that USP7 preferentially interacts with and cleaves ubiquitin moieties that have free Lys48 side chains. We investigated this idea by engineering di-ubiquitin chains containing differential proximal and distal isotopic labels and measuring USP7 binding by nuclear magnetic resonance. This preferential binding protracted the depolymerization kinetics of Lys48-linked ubiquitin chains relative to Lys63-linked chains. In summary, engineering compounds that inhibit USP7 activity by attenuating ubiquitin binding suggests opportunities for developing other deubiquitinase inhibitors and may be a strategy more broadly applicable to inhibiting proteins that require ubiquitin binding for full functional activity.