Abstract Cellular stresses trigger autophagy to remove damaged macromolecules and organelles. Lysosomes ‘host’ multiple stress-sensing mechanisms that trigger the coordinated biogenesis of autophagosomes and lysosomes. For example, transcription factor (TF)EB, which regulates autophagy and lysosome biogenesis, is activated following the inhibition of mTOR, a lysosome-localized nutrient sensor. Here we show that reactive oxygen species (ROS) activate TFEB via a lysosomal Ca 2+ -dependent mechanism independent of mTOR. Exogenous oxidants or increasing mitochondrial ROS levels directly and specifically activate lysosomal TRPML1 channels, inducing lysosomal Ca 2+ release. This activation triggers calcineurin-dependent TFEB-nuclear translocation, autophagy induction and lysosome biogenesis. When TRPML1 is genetically inactivated or pharmacologically inhibited, clearance of damaged mitochondria and removal of excess ROS are blocked. Furthermore, TRPML1’s ROS sensitivity is specifically required for lysosome adaptation to mitochondrial damage. Hence, TRPML1 is a ROS sensor localized on the lysosomal membrane that orchestrates an autophagy-dependent negative-feedback programme to mitigate oxidative stress in the cell.

Transforming growth factor–β promotes aortic aneurysm formation through activation of its “noncanonical” signaling pathway.

Abstract Metastasis is the major cause of mortality for patients with cancer, and dysregulation of developmental signaling pathways can significantly contribute to the metastatic process. The Sine oculis homeobox homolog 1 (SIX1)/eyes absent (EYA) transcriptional complex plays a critical role in the development of multiple organs and is typically downregulated after development is complete. In breast cancer, aberrant expression of SIX1 has been demonstrated to stimulate metastasis through activation of TGFβ signaling and subsequent induction of epithelial–mesenchymal transition (EMT). In addition, SIX1 can induce metastasis via non-cell autonomous means, including activation of GLI-signaling in neighboring tumor cells and activation of VEGFC–induced lymphangiogenesis. Thus, targeting SIX1 would be expected to inhibit metastasis while conferring limited side effects. However, transcription factors are notoriously difficult to target, and thus novel approaches to inhibit their action must be taken. Here we identified a novel small molecule compound, NCGC00378430 (abbreviated as 8430), that reduces the SIX1/EYA2 interaction. 8430 partially reversed transcriptional and metabolic profiles mediated by SIX1 overexpression and reversed SIX1-induced TGFβ signaling and EMT. 8430 was well tolerated when delivered to mice and significantly suppressed breast cancer–associated metastasis in vivo without significantly altering primary tumor growth. Thus, we have demonstrated for the first time that pharmacologic inhibition of the SIX1/EYA2 complex and associated phenotypes is sufficient to suppress breast cancer metastasis. Significance: These findings identify and characterize a novel inhibitor of the SIX1/EYA2 complex that reverses EMT phenotypes suppressing breast cancer metastasis.

Abstract Glucocerebrosidase (GCase) is implicated in both a rare, monogenic disorder (Gaucher disease, GD) and a common, multifactorial condition (Parkinson’s disease); hence, it is an urgent therapeutic target. To identify correctors of severe protein misfolding and trafficking obstruction manifested by the pathogenic L444P-variant of GCase, we developed a suite of quantitative, high-throughput, cell-based assays. First, we labeled GCase with a small pro-luminescent HiBiT peptide reporter tag, enabling quantitation of protein stabilization in cells while faithfully maintaining target biology. TALEN-based gene editing allowed for stable integration of a single HiBiT- GBA1 transgene into an intragenic safe-harbor locus in GBA1 -knockout H4 (neuroglioma) cells. This GD cell model was amenable to lead discovery via titration-based quantitative high-throughput screening and lead optimization via structure-activity relationships. A primary screen of 10,779 compounds from the NCATS bioactive collections identified 140 stabilizers of HiBiT-GCase-L444P, including both pharmacological chaperones (ambroxol and non-inhibitory chaperone NCGC326) and proteostasis regulators (panobinostat, trans-ISRIB, and pladienolide B). Two complementary high-content imaging-based assays were deployed to triage hits: the fluorescence-quenched substrate LysoFix-GBA captured functional lysosomal GCase activity, while an immunofluorescence assay featuring antibody hGCase-1/23 provided direct visualization of GCase lysosomal translocation. NCGC326 was active in both secondary assays and completely reversed pathological glucosylsphingosine accumulation. Finally, we tested the concept of combination therapy, by demonstrating synergistic actions of NCGC326 with proteostasis regulators in enhancing GCase-L444P levels. Looking forward, these physiologically-relevant assays can facilitate the identification, pharmacological validation, and medicinal chemistry optimization of new chemical matter targeting GCase, ultimately leading to a viable therapeutic for two protein-misfolding diseases. Significance Statement Gaucher disease, the inherited deficiency of glucocerebrosidase, is caused by biallelic, loss-of-function mutations in the gene GBA1, which is also the most frequent genetic risk factor for Parkinson’s disease. While the development of small-molecule stabilizers of glucocerebrosidase is being considered for both disorders, discovery and optimization of lead compounds is limited by the lack of robust cell-based assays amenable to high-throughput screening format. We developed a comprehensive assay pipeline for preclinical discovery of glucocerebrosidase modulators and began by screening libraries enriched with bioactive compounds with known mechanisms of action. The screen identified chemical matter with established relevance to glucocerebrosidase, provided an atlas of potential new molecular targets regulating the GBA1 pathway, and produced a set of promising potential therapeutics.

ABSTRACT Brain metastasis of HER2+ breast cancer occurs in about 50% of all women with metastatic HER2+ breast cancer and confers poor prognosis for patients. Despite effective HER2-targeted treatments of peripheral HER2+ breast cancer with Trastuzumab +/-HER2 inhibitors, limited brain permeability renders these treatments inefficient for HER2+ breast cancer brain metastasis (BCBM). The scarcity of suitable patient-derived in-vivo models for HER2+ BCBM has compromised the study of molecular mechanisms that promote growth and therapeutic resistance in brain metastasis. We have generated and characterized new HER2+ BCBM cells (BCBM94) isolated from a patient HER2+ brain metastasis. Repeated hematogenic xenografting of BCBM94 consistently generated BCBM in mice. The clinically used receptor tyrosine kinase inhibitor (RTKi) Lapatinib blocked phosphorylation of all ErbB1-4 receptors and induced the intrinsic apoptosis pathway in BCBM94. Neuregulin-1 (NRG1), a ligand for ErbB3 and ErbB4 that is abundantly expressed in the brain, was able to rescue Lapatinib-induced apoptosis and clonogenic ability in BCBM94 and in HER2+ BT474. ErbB3 was essential to mediate the NRG1-induced survival pathway that involved PI3K-AKT signalling and the phosphorylation of BAD at serine 136 to prevent apoptosis. High throughput RTKi screening identified the brain penetrable Poziotinib as highly potent compound to reduce cell viability in HER2+ BCBM in the presence of NRG1. Successful in-vivo ablation of BCBM94- and BT474-derived HER2+ brain tumors was achieved upon two weeks of treatment with Poziotinib. MRI revealed BCBM remission upon poziotinib, but not with Lapatinib treatment. In conclusion, we have established a new patient-derived HER2+ BCBM in-vivo model and identified Poziotinib as highly efficacious RTKi with excellent brain penetrability that abrogated HER2+ BCBM brain tumors in our mouse models.

Abstract Determining a molecule’s mechanism of action is paramount during chemical probe development and drug discovery. The cellular thermal shift assay (CETSA) is a valuable tool to confirm target engagement in cells for a small molecule that demonstrates a pharmacological effect. CETSA directly detects biophysical interactions between ligands and protein targets, which can alter a protein’s unfolding and aggregation properties in response to thermal challenge. In traditional CETSA experiments, each temperature requires an individual sample, which restricts throughput and requires substantial optimization. To capture the full aggregation profile of a protein from a single sample, we developed a prototype real-time CETSA (RT-CETSA) platform by coupling a real-time PCR instrument with a CCD camera to detect luminescence. A thermally stable Nanoluciferase variant (ThermLuc) was bioengineered that withstood unfolding at temperatures greater than 90 degrees Celsius and was compatible with monitoring target engagement events when fused to diverse targets. Utilizing well-characterized inhibitors of lactate dehydrogenase alpha, RT-CETSA showed significant correlation with enzymatic, biophysical, and other cell-based assays. A data analysis pipeline was developed to enhance the sensitivity of RT-CETSA to detect on-target binding. The RT-CETSA technology advances capabilities of the CETSA method and facilitates the identification of ligand-target engagement in cells, a critical step in assessing the mechanism of action of a small molecule. Significance Validating target engagement is a critical step when characterizing a small molecule modulator. The cellular thermal shift assay (CETSA) is a common approach to examine target engagement, as alterations in the thermal stability of a protein can be conferred by ligand binding. An advantage of CETSA is that it does not require modification of the protein target or small molecule. Major limitations are the throughput and ease-of-use, as the traditional detection method uses western blots, which limits the number of samples that can be processed. Higher-throughput CETSA methods have been developed but are performed at a single temperature and require target-specific optimization. We developed a high-throughput real-time CETSA to circumvent these challenges, providing a rapid and cost-effective strategy to assess on-target activity of a small molecule in living cells.