A search through hydrophobic chemical space identifies an adamantane tag that targets dehalogenase fusion proteins for degradation, as demonstrated for both cytosolic and transmembrane proteins; and in zebrafish and mice. This molecule provides a new tool to study protein function with precise control. The ability to regulate any protein of interest in living systems with small molecules remains a challenge. We hypothesized that appending a hydrophobic moiety to the surface of a protein would mimic the partially denatured state of the protein, thus engaging the cellular quality control machinery to induce its proteasomal degradation. We designed and synthesized bifunctional small molecules to bind a bacterial dehalogenase (the HaloTag protein) and present a hydrophobic group on its surface. Hydrophobic tagging of the HaloTag protein with an adamantyl moiety induced the degradation of cytosolic, isoprenylated and transmembrane HaloTag fusion proteins in cell culture. We demonstrated the in vivo utility of hydrophobic tagging by degrading proteins expressed in zebrafish embryos and by inhibiting Hras1G12V-driven tumor progression in mice. Therefore, hydrophobic tagging of HaloTag fusion proteins affords small-molecule control over any protein of interest, making it an ideal system for validating potential drug targets in disease models.

Abstract Dysregulated transcription factors (TFs) that rewire gene expression circuitry are frequently identified as key players in disease. Although several TFs have been drugged with small molecules, the majority of oncogenic TFs are not currently pharmaceutically tractable due to their paucity of ligandable pockets. The first generation of transcription factor targeting chimeras (TRAFTACs) was developed to target TFs for proteasomal degradation by exploiting their DNA binding ability. In the current study, we have developed the second generation TRAFTACs (“oligoTRAFTACs”) comprised of a TF- binding oligonucleotide and an E3 ligase-recruiting ligand. Herein, we demonstrate the development of oligoTRAFTACs to induce the degradation of two oncogenic TFs, c-Myc and brachyury. In addition, we show that brachyury can be successfully degraded by oligoTRAFTACs in chordoma cell lines. Furthermore, zebrafish experiments demonstrate in vivo oligoTRAFTAC activity. Overall, our data demonstrate oligoTRAFTACs as a generalizable platform towards difficult-to-drug TFs and their degradability via the proteasomal pathway.

Abstract The risk of developing Alzheimer’s disease (AD) significantly increases in individuals carrying the APOEε4 allele. Elderly cognitively healthy individuals with APOEε4 also exist, suggesting the presence of cellular mechanisms that counteract the pathological effects of APOEε4 ; however, these mechanisms are unknown. We hypothesized that APOEε4 carriers without dementia might carry genetic variations that could protect them from developing APOEε4- mediated AD pathology. To test this, we leveraged whole genome sequencing (WGS) data in National Institute on Aging Alzheimer’s Disease Family Based Study (NIA-AD FBS), Washington Heights/Inwood Columbia Aging Project (WHICAP), and Estudio Familiar de Influencia Genetica en Alzheimer (EFIGA) cohorts and identified potentially protective variants segregating exclusively among unaffected APOEε4 carriers. In homozygous unaffected carriers above 70 years old, we identified 510 rare coding variants. Pathway analysis of the genes harboring these variants showed significant enrichment in extracellular matrix (ECM)-related processes, suggesting protective effects of functional modifications in ECM proteins. We prioritized two genes that were highly represented in the ECM-related gene ontology terms, (FN1) and collagen type VI alpha 2 chain ( COL6A2 ) and are known to be expressed at the blood-brain barrier (BBB), for postmortem validation and in vivo functional studies. The FN1 and COL6A2 protein levels were increased at the BBB in APOEε4 carriers with AD. Brain expression of cognitively unaffected homozygous APOEε4 carriers had significantly lower FN1 deposition and less reactive gliosis compared to homozygous APOEε4 carriers with AD, suggesting that FN1 might be a downstream driver of APOEε4 -mediated AD-related pathology and cognitive decline. To validate our findings, we used zebrafish models with loss-of-function (LOF) mutations in fn1b – the ortholog for human FN1 . We found that fibronectin LOF reduced gliosis, enhanced gliovascular remodeling and potentiated the microglial response, suggesting that pathological accumulation of FN1 could impair toxic protein clearance, which is ameliorated with FN1 LOF. Our study suggests vascular deposition of FN1 is related to the pathogenicity of APOEε4 , LOF variants in FN1 may reduce APOEε4 -related AD risk, providing novel clues to potential therapeutic interventions targeting the ECM to mitigate AD risk.

Abstract The reproducibility of embryonic development is a remarkable feat of biological organization, but the underlying mechanisms are poorly understood. Clearly, gene regulatory networks are central to the orderly progression of development, but noisy molecular and cellular processes should reduce reproducibility. Here, we identify ergodicity, a type of dynamical stability, as underlying the reproducibility of development. In ergodic systems, a single timepoint measurement equals a time average. Focusing on the zebrafish tailbud, we define gene expression and cell motion states using a parallel statistical analyses of single cell RNA sequencing data and in vivo timelapse cell tracking data and a change point detection algorithm. Strikingly, the cell motion state transitions in each embryo exhibit the same patterns for both a single timepoint and a 2-3 hour time average. Both the cell motion and gene expression cell states exhibit balanced influx and outflux rates reflecting a spatiotemporal stability. Stated simply, these data indicate the pattern of changes in the tailbud doesn’t change. This ergodic pattern of cell state transitions may represent an emergent meta-state that links gene networks to the reproducible progression of embryogenesis.