Abstract The E. coli tyrosyl-tRNA synthetase (EcTyrRS)/tRNA EcTyr pair offers an attractive platform to genetically encode new noncanonical amino acids (ncAA) in eukaryotes. However, challenges associated with a eukaryotic selection system, which is needed for its engineering, has impeded its success in the past. Recently, we showed that EcTyrRS can be engineered using a facile E. coli based selection system, in a strain where the endogenous tyrosyl pair has been substituted with an archaeal counterpart. However, a significant cross-reactivity between the UAG-suppressing tRNA CUA EcTyr and the bacterial glutaminyl-tRNA synthetase limited the scope of this strategy, preventing the selection of moderately active EcTyrRS mutants. Here we report an engineered tRNA CUA EcTyr that overcomes this cross-reactivity. Optimized selection systems using this tRNA enabled efficient enrichment of both strongly and weakly active ncAA-selective EcTyrRS mutants. We also developed a wide-dynamic range (WiDR) antibiotic selection to further enhance the activities of the weaker first-generation EcTyrRS mutants. We demonstrated the utility of our platform by developing several new EcTyrRS mutants that efficiently incorporate useful ncAAs in mammalian cells, including photo-affinity probes, bioconjugation handles, and a non-hydrolyzable mimic of phosphotyrosine.

Cancer mutations can create neomorphic protein-protein interactions to drive aberrant function

The ability to engineer the substrate specificity of natural aminoacyl-tRNA synthetase/tRNA pairs facilitates the site-specific incorporation of noncanonical amino acids (ncAAs) into proteins. The Methanocaldococcus jannaschii derived tyrosyl-tRNA synthetase (MjTyrRS)/tRNA pair has been engineered to incorporate numerous ncAAs into protein expressed in bacteria. However, it cannot be used in eukaryotic cells due to cross-reactivity with its host counterparts. The E. coli derived tyrosyl-tRNA synthetase (EcTyrRS)/tRNA pair offers a suitable alternative to this end, but a much smaller subset of ncAAs has been genetically encoded using this pair. Here we report that this discrepancy, at least partly, stems from the lower structural robustness of EcTyrRS relative to MjTyrRS. We show that engineered TyrRS mutants in general exhibit significantly lower thermostability relative to their wild-type counterparts. Derived from a thermophilic archaeon, MjTyrRS is a remarkably sturdy protein and tolerates extensive active site engineering without a catastrophic loss of stability at physiological temperature. In contrast, EcTyrRS exhibits significantly lower thermostability, rendering some of its engineered mutants insufficiently stable at physiological temperature. Our observations identify the structural robustness of an aaRS as an important factor that significantly influences how extensively it can be engineered. To overcome this limitation, we have further developed chimeras between EcTyrRS and its homolog from a thermophilic bacteria, which offer an optimal balance between thermostability and activity. We show that the chimeric bacterial TyrRSs show enhanced tolerance for destabilizing active site mutations, providing a potentially more engineerable platform for genetic code expansion.

UM171 is a potent small molecule agonist of ex vivo human hematopoietic stem cell (HSC) self-renewal, a process that is tightly controlled by epigenetic regulation. By co-opting KBTBD4, a substrate receptor of the CULLIN3-RING E3 ubiquitin ligase complex, UM171 promotes the degradation of members of the CoREST transcriptional corepressor complex, thereby limiting HSC attrition. However, the direct target and mechanism of action of UM171 remain unclear. Here, we reveal that UM171 acts as a molecular glue to induce high-affinity interactions between KBTBD4 and HDAC1 to promote the degradation of select HDAC1/2 corepressor complexes. Through proteomics and chemical inhibitor studies, we discover that the principal target of UM171 is HDAC1/2. Cryo-electron microscopy (cryo-EM) analysis of dimeric KBTBD4 bound to UM171 and the LSD1-HDAC1-CoREST complex unveils an unexpected asymmetric assembly, in which a single UM171 molecule enables a pair of KBTBD4 KELCH-repeat propeller domains to recruit HDAC1 by clamping on its catalytic domain. One of the KBTBD4 propellers partially masks the rim of the HDAC1 active site pocket, which is exploited by UM171 to extend the E3-neo-substrate interface. The other propeller cooperatively strengthens HDAC1 binding via a separate and distinct interface. The overall neomorphic interaction is further buttressed by an endogenous cofactor of HDAC1-CoREST, inositol hexakisphosphate, which makes direct contacts with KBTBD4 and acts as a second molecular glue. The functional relevance of the quaternary complex interaction surfaces defined by cryo-EM is demonstrated by in situ base editor scanning of KBTBD4 and HDAC1. By delineating the direct target of UM171 and its mechanism of action, our results reveal how the cooperativity offered by a large dimeric CRL E3 family can be leveraged by a small molecule degrader and establish for the first time a dual molecular glue paradigm.

Abstract Targeted protein degradation (TPD) holds immense promise for drug discovery but mechanisms of acquired resistance to degraders remain to be fully identified. Here we used CRISPR-suppressor scanning to identify mechanistic classes of drug resistance mutations to molecular glue degraders in GSPT1 and RBM39, neosubstrates targeted by E3 ligase substrate receptors cereblon and DCAF15, respectively. While many mutations directly alter the ternary complex heterodimerization surface, distal resistance sites were also identified. Several distal mutations in RBM39 led to modest decreases in degradation yet can enable cell survival, underscoring how small differences in degradation can lead to resistance. Integrative analysis of resistance sites across GSPT1 and RBM39 revealed varying levels of sequence conservation and mutational constraint that control the emergence of different resistance mechanisms, highlighting that many regions co-opted by TPD are inessential. Altogether, our study identifies common resistance mechanisms for molecular glue degraders and outlines a general approach to survey neosubstrate requirements necessary for effective degradation.