mRNA display is a powerful technology to screen libraries of >1012 cyclic peptides against a protein target, enabling the rapid discovery of high affinity ligands. These cyclic peptides are particularly well suited to challenging protein targets that have been difficult to drug with small molecules. However, target choice can still be limited as screens are typically performed against purified proteins which often demands the use of isolated domains and precludes the use of aggregation‐prone targets. Here, we report a method to perform mRNA display selections in mammalian cell lysates without the need for prior target purification, vastly expanding the potential target scope of mRNA display. We have applied the methodology to identify low to sub‐nanomolar peptide binders for two targets: a NanoLuc subunit (LgBiT) and full‐length bromodomain‐containing protein 3 (BRD3). Our cyclic peptides for BRD3 were found to bind to the extraterminal (ET) domain of BRD3 and the closely related BRD proteins, BRD2 and BRD4. While many chemical probes exist for the bromodomains of BRD proteins, the ET domain is relatively underexplored, making these peptides valuable additions to the BRD toolbox.

Cyclic peptide display screening techniques can identify drug leads and biological probes with exceptional affinity and specificity. To date, however, the structural and functional diversity encoded in such peptide libraries remains unexplored. We have used the Random nonstandard Peptide Integrated Discovery (RaPID) system to develop cyclic peptide inhibitors of several acetyllysine-binding bromodomains from the Bromodomain and Extra-Terminal domain (BET) family of epigenetic regulators. These peptides have very high affinities for their targets and exhibit extraordinary selectivity (up to 106-fold), making them the highest-affinity and most specific BET-binding molecules discovered to date. Crystal structures of 13 distinct peptide-bromodomain complexes, which all target the acetyllysine-binding pocket, reveal remarkable diversity in both peptide structure and binding mode, and include both α-helical and β-sheet type structures. The peptides can exhibit a high degree of structural pre-organization and bivalent binding of two BDs by one peptide was common, flagging the potential for a new direction in inhibitor design that could bring stronger discrimination between BET-family paralogues. Our data demonstrate for the first time the enormous potential held in these libraries to provide a wide array of modes against a single target, maximizing the opportunity to attain high potency and specificity ligands to a wide variety of proteins.

Peptidyl arginine deiminase 6 (PADI6 or PAD6) is vital for early embryonic development in mice and humans, yet its function remains elusive. PADI6 is less conserved than other PADIs and it is currently unknown whether it has a catalytic function. Here we show that human PADI6 dimerises like hPADIs 2-4, however, does not bind Ca

Abstract Peptidylarginine deiminase IV (PADI4) deregulation promotes the development of autoimmunity, cancer, atherosclerosis and age-related tissue fibrosis. Genetic or pharmacological PADI4 inhibition is therapeutically efficacious in mice, but no clinically relevant inhibitors currently exist. PADI4 additionally mediates immune responses and cellular reprogramming, although the full extent of its physiological roles is unexplored. Despite detailed molecular knowledge of PADI4 activation in vitro , we lack understanding of its regulation within cells, largely due to lack of appropriate systems and tools. Here, we developed and applied a set of potent and selective PADI4 modulators. Using the mRNA- display-based RaPID system, we screened >10 12 cyclic peptides for high-affinity, conformation-selective binders. We report PADI4_3, an inhibitor specific for the active conformation of PADI4; PADI4_7, an inert binder, which we functionalised for the isolation and study of cellular PADI4; and PADI4_11, a first-in-class activator. Using a newly developed method for the quantification of cellular PADI4 activity, we show that PADI4_3 and PADI4_11 are effective in cells. Structural studies with PADI4_11 reveal an allosteric binding mode that may reflect the mechanism that promotes cellular PADI4 activation. This work offers new understanding of PADI4 regulation and a toolkit for the study and modulation of PADI4 across physiological and pathophysiological contexts.

Abstract Among the ∼200 Plasmodium species that infect vertebrates, six infect humans. Of these, P. falciparum causes >95% of all ∼500,000 annual fatalities. Phylogenetically, P. falciparum belongs to the Laverania subgenus, a group of Plasmodium species that infect great apes. Common to Laverania species is the family of FIKK kinases. One million years ago, a single FIKK kinase conserved in all Plasmodium species gained an export element in the Laverania subgenus and expanded into the family of ∼20 atypical FIKK kinases, most of which are exported into the host cell. The fikk genes are conserved in syntenic loci across the Laverania , arguing for a rapid expansion controlling important functions in host cell remodelling and pathogenesis. We provide evidence that the FIKK paralogues evolved specific and mutually exclusive phosphorylation motif preferences, conserved across their Laverania orthologues, in a short evolutionary timeframe. Surprisingly, we find that FIKK13 has evolved exclusive tyrosine-phosphorylation preference, which was thought to be absent in Plasmodium species. Combining a crystal structure with AlphaFold2 predictions, we identify residues that determine kinase-specificity within the FIKK family in a fast-evolving flexible loop. Finally, we show that all expressed members of the FIKK kinase family can be chemically inhibited in vitro using a single compound. Such a pan-specific inhibitor of this kinase family important for virulence could reduce the ability of the parasite to gain escape-mutations and resistance.

Abstract Peptidyl arginine deiminase 6 (PADI6) is vital for early embryonic development in mice and humans, yet its function remains elusive. PADI6 is less conserved than other PADIs and it is currently unknown whether it has a catalytic function. Here we have shown that human PADI6 dimerises like hPADIs 2-4, however, does not bind Ca 2+ and is inactive in in vitro assays against standard PADI substrates. By determining the crystal structure of hPADI6, we show that hPADI6 is structured in the absence of Ca 2+ where hPADI2 and hPADI4 are not, and the Ca-binding sites are not conserved. Moreover, we show that whilst the key catalytic aspartic acid and histidine residues are structurally conserved, the cysteine is displaced far from the active site centre and the hPADI6 active site pocket appears closed through a unique evolved mechanism in hPADI6, not present in the other PADIs. Taken together, these findings provide insight into how the function of hPADI6 may differ from the other PADIs based on its structure and provides a resource for characterising the damaging effect of clinically significant PADI6 variants.

SUMMARY DNA encoded cyclic peptide libraries offer unique opportunities to discover high-potency, high-specificity ligands directed against a target protein. We set out to explore the potential for such libraries to provide ligands that can distinguish between bromodomains from the closely related paralogues of the Bromodomain and ExtraTerminal domain (BET) family of epigenetic regulators. Analysis of peptides isolated from a screen against the C -terminal bromodomain of family member BRD2, together with new peptides discovered in previous screens against the corresponding domain from BRD3 and BRD4, reveals peptides with nanomolar and subnanomolar affinities. X-ray crystal structures of several of these bromodomain-peptide complexes reveal diverse structures and binding modes, which nevertheless display several conserved binding features. A subset of the peptides demonstrates significant paralogue-level specificity, though structural analysis does not reveal clear physicochemical explanations for this specificity. Our data demonstrate the power of cyclic peptides to discriminate between highly similar proteins with high potency and hint that differences in conformational dynamics between BET-family bromodomains might modulate binding affinities amongst family members for particular ligands.

ABSTRACT Bromodomains regulate gene expression by recognizing protein motifs containing acetyllysine. Although originally characterized as histone-binding proteins, it has since become clear that these domains interact with other acetylated proteins, perhaps most prominently transcription factors. The likely transient nature and low stoichiometry of such modifications, however, has made it challenging to fully define the interactome of any given bromodomain. To begin to address this knowledge gap in an unbiased manner, we carried out mRNA display screens against a bromodomain – the N -terminal bromodomain of BRD3 – using peptide libraries that contained either one or two acetyllysine residues. We discovered peptides with very strong consensus sequences and with affinities that are significantly higher than typical bromodomain-peptide interactions. X-ray crystal structures also revealed modes of binding that have not been seen with natural ligands. Intriguingly, however, our selected sequences are not found in the human proteome, perhaps suggesting that strong binders to bromodomains might have been selected against.

mRNA display is a powerful technology to screen libraries of >10 12 cyclic peptides against a protein target, enabling the rapid discovery of high affinity ligands. These cyclic peptides are particularly well suited to challenging protein targets that have been difficult to drug with small molecules. However, target choice can still be limited as screens are typically performed against purified proteins which often demands the use of isolat-ed domains and precludes the use of aggregation-prone targets. Here, we report a method to perform mRNA display selections in mammalian cell lysates without the need for prior target purification, vastly expanding the potential target scope of mRNA display. We have applied the methodology to identify low to sub-nanomolar peptide binders for two targets; a NanoLuc subunit (LgBiT) and full-length bromodomain-containing protein 3 (BRD3). Our cyclic peptides for BRD3 were found to bind to the extraterminal (ET) do-main of BRD3 and the closely related BRD proteins, BRD2 and BRD4. While many chemical probes exist for the bromodomains of BRD proteins, the ET domain is relatively underexplored, making these peptides valu-able additions to the BRD toolbox.