Potent, specific, non-peptide small-molecule inhibitors of the MDM2-p53 interaction were successfully designed. The most potent inhibitor (MI-63) has a K(i) value of 3 nM binding to MDM2 and greater than 10,000-fold selectivity over Bcl-2/Bcl-xL proteins. MI-63 is highly effective in activation of p53 function and in inhibition of cell growth in cancer cells with wild-type p53 status. MI-63 has excellent specificity over cancer cells with deleted p53 and shows a minimal toxicity to normal cells.

A successful structure-based design of a class of non-peptide small-molecule MDM2 inhibitors targeting the p53-MDM2 protein-protein interaction is reported. The most potent compound 1d binds to MDM2 protein with a Ki value of 86 nM and is 18 times more potent than a natural p53 peptide (residues 16-27). Compound 1d is potent in inhibition of cell growth in LNCaP prostate cancer cells with wild-type p53 and shows only a weak activity in PC-3 prostate cancer cells with a deleted p53. Importantly, 1d has a minimal toxicity to normal prostate epithelial cells. Our studies provide a convincing example that structure-based strategy can be employed to design highly potent, non-peptide, cell-permeable, small-molecule inhibitors to target protein-protein interaction, which remains a very challenging area in chemical biology and drug design.

The X-linked inhibitor of apoptosis protein (XIAP) is a potent cellular inhibitor of apoptosis. Designing small-molecule inhibitors that target the BIR3 domain of XIAP, where Smac/DIABLO (second mitochondria-derived activator of caspase/direct IAP-binding protein with low pI) and caspase-9 bind, is a promising strategy for inhibiting the antiapoptotic activity of XIAP and for overcoming apoptosis resistance of cancer cells mediated by XIAP. Herein, we report the development of a homogeneous high-throughput assay based on fluorescence polarization for measuring the binding affinities of small-molecule inhibitors to the BIR3 domain of XIAP. Among four fluorescent probes tested, a mutated N-terminal Smac peptide (AbuRPFK-(5-Fam)-NH2) showed the highest affinity (Kd = 17.92 nM) and a large dynamic range (ΔmP=231±0.9), and was selected as the most suitable probe for the binding assay. The binding conditions (DMSO tolerance and stability) have been investigated. Under optimized conditions, a Z′ factor of 0.88 was achieved in a 96-well format for high-throughput screening. It was found that the popular Cheng–Prusoff equation is invalid for the calculation of the competitive inhibition constants (Ki values) for inhibitors in the FP-based competitive binding assay conditions, and accordingly, a new mathematical equation was developed, validated, and used to compute the Ki values. An associated Web-based computer program was also developed for this task. Several known Smac peptides with high and low affinities have been evaluated under the assay conditions and the results obtained indicated that the FP-based competitive binding assay performs correctly as designed: it can quantitatively and accurately determine the binding affinities of Smac-based peptide inhibitors with a wide range of affinities, and is suitable for high-throughput screening of inhibitors binding to the XIAP BIR3 domain.

Data from the Encyclopedia of DNA Elements (ENCODE) project show over 9640 human genome loci classified as long noncoding RNAs (lncRNAs), yet only ∼100 have been deeply characterized to determine their role in the cell. To measure the protein-coding output from these RNAs, we jointly analyzed two recent data sets produced in the ENCODE project: tandem mass spectrometry (MS/MS) data mapping expressed peptides to their encoding genomic loci, and RNA-seq data generated by ENCODE in long polyA+ and polyA− fractions in the cell lines K562 and GM12878. We used the machine-learning algorithm RuleFit3 to regress the peptide data against RNA expression data. The most important covariate for predicting translation was, surprisingly, the Cytosol polyA− fraction in both cell lines. LncRNAs are ∼13-fold less likely to produce detectable peptides than similar mRNAs, indicating that ∼92% of GENCODE v7 lncRNAs are not translated in these two ENCODE cell lines. Intersecting 9640 lncRNA loci with 79,333 peptides yielded 85 unique peptides matching 69 lncRNAs. Most cases were due to a coding transcript misannotated as lncRNA. Two exceptions were an unprocessed pseudogene and a bona fide lncRNA gene, both with open reading frames (ORFs) compromised by upstream stop codons. All potentially translatable lncRNA ORFs had only a single peptide match, indicating low protein abundance and/or false-positive peptide matches. We conclude that with very few exceptions, ribosomes are able to distinguish coding from noncoding transcripts and, hence, that ectopic translation and cryptic mRNAs are rare in the human lncRNAome.

DNA methylation is an epigenetic modification that has critical roles in gene silencing, development and genome integrity. In Arabidopsis, DNA methylation is established by DOMAINS REARRANGED METHYLTRANSFERASE 2 (DRM2) and targeted by 24-nucleotide small interfering RNAs (siRNAs) through a pathway termed RNA-directed DNA methylation (RdDM). This pathway requires two plant-specific RNA polymerases: Pol-IV, which functions to initiate siRNA biogenesis, and Pol-V, which functions to generate scaffold transcripts that recruit downstream RdDM factors. To understand the mechanisms controlling Pol-IV targeting we investigated the function of SAWADEE HOMEODOMAIN HOMOLOG 1 (SHH1), a Pol-IV-interacting protein. Here we show that SHH1 acts upstream in the RdDM pathway to enable siRNA production from a large subset of the most active RdDM targets, and that SHH1 is required for Pol-IV occupancy at these same loci. We also show that the SHH1 SAWADEE domain is a novel chromatin-binding module that adopts a unique tandem Tudor-like fold and functions as a dual lysine reader, probing for both unmethylated K4 and methylated K9 modifications on the histone 3 (H3) tail. Finally, we show that key residues within both lysine-binding pockets of SHH1 are required in vivo to maintain siRNA and DNA methylation levels as well as Pol-IV occupancy at RdDM targets, demonstrating a central role for methylated H3K9 binding in SHH1 function and providing the first insights into the mechanism of Pol-IV targeting. Given the parallels between methylation systems in plants and mammals, a further understanding of this early targeting step may aid our ability to control the expression of endogenous and newly introduced genes, which has broad implications for agriculture and gene therapy.

The E3 ubiquitin ligase UHRF1 has been genetically linked to the establishment and maintenance of DNA methylation in mammals. A new study now provides mechanistic insight by demonstrating that binding of UHRF1 to methylated histone H3 lysine 9 during mitosis is needed for stability of DNA methyltransferase 1 and the faithful propagation of DNA methylation. A fundamental challenge in mammalian biology has been the elucidation of mechanisms linking DNA methylation and histone post-translational modifications. Human UHRF1 (ubiquitin-like PHD and RING finger domain–containing 1) has multiple domains that bind chromatin, and it is implicated genetically in the maintenance of DNA methylation. However, molecular mechanisms underlying DNA methylation regulation by UHRF1 are poorly defined. Here we show that UHRF1 association with methylated histone H3 Lys9 (H3K9) is required for DNA methylation maintenance. We further show that UHRF1 association with H3K9 methylation is insensitive to adjacent H3 S10 phosphorylation—a known mitotic 'phospho-methyl switch'. Notably, we demonstrate that UHRF1 mitotic chromatin association is necessary for DNA methylation maintenance through regulation of the stability of DNA methyltransferase-1. Collectively, our results define a previously unknown link between H3K9 methylation and the faithful epigenetic inheritance of DNA methylation, establishing a notable mitotic role for UHRF1 in this process.

Orai1 is a plasma membrane Ca2+ channel that mediates store-operated Ca2+ entry (SOCE) and regulates inflammation. Short palate lung and nasal epithelial clone 1 (SPLUNC1) is an asthma gene modifier that inhibits Orai1 and SOCE via its C-terminal α6 region. SPLUNC1 levels are diminished in asthma patient airways. Thus, we hypothesized that inhaled α6 peptidomimetics could inhibit Orai1 and reduce airway inflammation in a murine asthma model. To evaluate α6-Orai1 interactions, we used fluorescent assays to measure Ca2+ signaling, Förster resonance energy transfer, fluorescent recovery after photobleaching, immunostaining, total internal reflection microscopy, and Western blotting. To test whether α6 peptidomimetics inhibited SOCE and decreased inflammation in vivo, wild-type and SPLUNC1-/- mice were exposed to house dust mite (HDM) extract with or without α6 peptide. We also performed nebulization, jet milling, and scanning electron microscopy to evaluate α6 for inhalation. SPLUNC1-/- mice had an exaggerated response to HDM. In BAL-derived immune cells, Orai1 levels increased after HDM exposure in SPLUNC1-/- but not wild-type mice. Inhaled α6 reduced Orai1 levels in mice regardless of genotype. In HDM-exposed mice, α6 dose-dependently reduced eosinophilia and neutrophilia. In vitro, α6 inhibited SOCE in multiple immune cell types, and α6 could be nebulized or jet milled without loss of function. These data suggest that α6 peptidomimetics may be a novel, effective antiinflammatory therapy for patients with asthma.

ABSTRACT In nucleosomes, histone N-terminal tails exist in dynamic equilibrium between free/accessible and collapsed/DNA-bound states. The latter state is expected to impact histone N-termini availability to the epigenetic machinery. Notably, H3 tail acetylation ( e.g. , K9ac, K14ac, K18ac) is linked to increased H3K4me3 engagement by the BPTF PHD finger, but it is unknown if this mechanism has broader extension. Here we show that H3 tail acetylation promotes nucleosomal accessibility to other H3K4 methyl readers, and importantly, extends to H3K4 writers, notably methyltransferase MLL1. This regulation is not observed on peptide substrates yet occurs on the cis H3 tail, as determined with fully-defined heterotypic nucleosomes. In vivo , H3 tail acetylation is directly and dynamically coupled with cis H3K4 methylation levels. Together, these observations reveal an acetylation ‘chromatin switch’ on the H3 tail that modulates read-write accessibility in nucleosomes and resolve the long-standing question of why H3K4me3 levels are coupled with H3 acetylation.

SARS-CoV-2 S-protein-mediated fusion is thought to involve the interaction of the membrane-distal or N-terminal heptad repeat (NHR) (“HR1”) of the cleaved S2 segment of the protein and the membrane-proximal or C-terminal heptad repeat (CHR) (“HR2”) regions of the protein. We examined the fusion inhibitory activity of a PEGylated HR2-derived peptide and its palmitoylated derivative using a pseudovirus infection assay. The latter peptide caused a 76% reduction in fusion activity at 10 µM. Our results suggest that small variations in peptide derivatization and differences in the membrane composition of pseudovirus preparations may affect the inhibitory potency of HR2-derived peptides. We suggest that future studies on the inhibition of infectivity of SARS-CoV-2 in both in vitro and in vivo systems consider the need for higher concentrations of peptide inhibitors.

Tight control over cell identity gene expression is necessary for proper adult form and function. The opposing activities of Polycomb and trithorax complexes determine the on/off state of cell identity genes such as the Hox factors. Polycomb group complexes repress target genes, whereas trithorax group complexes are required for their expression. Although trithorax and its orthologs function as methyltransferases specific to histone H3 lysine 4 (H3K4), there is no direct evidence that H3K4 regulates Polycomb group target genes in vivo. Using histone gene replacement in Drosophila , we provide evidence of two key roles for replication-dependent histone H3.2K4 in Polycomb target gene control. First, we found that H3.2K4 mutants mimic H3.2K4me3 in antagonizing methyltransferase activity of the PRC2 Polycomb group complex. Second, we found that H3.2K4 is also required for proper activation of Polycomb targets. We conclude that H3.2K4 directly regulates Polycomb target gene expression.