SUMMARY Kinase inhibitors are effective cancer therapies but resistance often limits clinical efficacy. Despite the cataloguing of numerous resistance mutations, our understanding of kinase inhibitor resistance is still incomplete. Here, we comprehensively profiled the resistance of ∼3500 Src tyrosine kinase mutants to four different ATP-competitive inhibitors. We found that ATP-competitive inhibitor resistance mutations are distributed throughout Src’s catalytic domain. In addition to inhibitor contact residues, residues that participate in regulating Src’s phosphotransferase activity were prone to the development of resistance. Unexpectedly, we found that a resistance-prone cluster of residues located on the top face of the N-terminal lobe of Src’s catalytic domain contributes to autoinhibition by reducing catalytic domain dynamics, and mutations in this cluster led to resistance by lowering inhibitor affinity and promoting kinase hyperactivation. Together, our studies demonstrate how drug resistance profiling can be used to define potential resistance pathways and uncover new mechanisms of kinase regulation.

ABSTRACT CYP2C9 encodes a cytochrome P450 enzyme responsible for metabolizing up to 15% of small molecule drugs, and CYP2C9 variants can alter the safety and efficacy of these therapeutics. In particular, the anti-coagulant warfarin is prescribed to over 15 million people annually and polymorphisms in CYP2C9 can affect patient response leading to an increased risk of hemorrhage. We developed Click-seq, a pooled yeast-based activity assay to test thousands of variants. Using Click-seq, we measured the activity of 6,142 missense variants expressed in yeast. We also measured the steady-state cellular abundance of 6,370 missense variants expressed in a human cell line using Variant Abundance by Massively Parallel sequencing (VAMP-seq). These data revealed that almost two-thirds of CYP2C9 variants showed decreased activity, and that protein abundance accounted for half of the variation in CYP2C9 function. We also measured activity scores for 319 previously unannotated human variants, many of which may have clinical relevance.

Despite the importance of Aβ aggregation in Alzheimer's disease etiology, our understanding of the sequence determinants of aggregation is sparse and largely derived from in vitro studies. For example, in vitro proline and alanine scanning mutagenesis of Aβ40 proposed core regions important for aggregation. However, we lack even this limited mutagenesis data for the more disease-relevant Aβ42. Thus, to better understand the molecular determinants of Aβ42 aggregation in a cell-based system, we combined a yeast DHFR aggregation assay with deep mutational scanning. We measured the effect of 791 of the 798 possible single amino acid substitutions on the aggregation propensity of Aβ42. We found that ~75% of substitutions, largely to hydrophobic residues, maintained or increased aggregation. We identified 11 positions at which substitutions, particularly to hydrophilic and charged amino acids, disrupted Aβ aggregation. These critical positions were similar but not identical to critical positions identified in previous Aβmutagenesis studies. Finally, we analyzed our large-scale mutagenesis data in the context of different Aβ aggregate structural models, finding that the mutagenesis data agreed best with models derived from fibrils seeded using brain-derived Aβ aggregates.

ABSTRACT Vitamin K epoxide reductase (VKOR) drives the vitamin K cycle, activating vitamin K-dependent blood clotting factors. VKOR is also the target of the widely used anticoagulant drug, warfarin Despite VKOR’s pivotal role in coagulation, its structure and active site remain poorly understood. In addition, VKOR variants can cause vitamin K-dependent clotting factor deficiency 2 or alter warfarin response. Here, we used multiplexed, sequencing-based assays to measure the effects of 2,695 VKOR missense variants on abundance and 697 variants on activity in cultured human cells. The large-scale functional data, along with an evolutionary coupling analysis, supports a four transmembrane domain topology, with variants in transmembrane domains exhibiting strongly deleterious effects on abundance and activity. Functionally constrained regions of the protein define the active site, and we find that, of four conserved cysteines putatively critical for function, only three are absolutely required. Finally, 25% of human VKOR missense variants show reduced abundance or activity, possibly conferring warfarin sensitivity or causing disease.

Abstract Cytochrome P450s (CYPs) are a family of enzymes responsible for metabolizing nearly 80% of small molecule drugs. Variants in CYPs can substantially alter drug metabolism, which may result in improper dosing and severe adverse drug reactions. CYPs have low sequence conservation, making it difficult to anticipate whether variant effects measured in one CYP may extend to others based on sequence alone. Even closely related CYPs, like CYP2C9 and its closest homolog CYP2C19, have distinct phenotypic properties despite sharing 92% amino acid sequence identity. Thus, we used Variant Abundance by Massively Parallel sequencing (VAMP-seq) to measure the steady-state protein abundance, a proxy for protein stability, of 7,660 missense variants in CYP2C19 expressed in cultured human cells. Our results confirmed positions and structural features critical for CYP function and revealed how variants at positions conserved across all eukaryotic CYPs influence abundance. We jointly analyzed 4,670 variants whose abundance was measured in both CYP2C19 and CYP2C9, finding that the homologs have different variant abundances in substrate recognition sites within the hydrophobic core, and that substitutions in some regions reduced abundance in CYP2C19 but not CYP2C9. We also measured the abundance of all single and some multiple WT amino acid exchanges between CYP2C19 and CYP2C9. While most exchanges had no effect, substitutions in substrate recognition site 4 (SRS4) reduced abundance in CYP2C19. When nearby amino acids were exchanged in double and triple mutants, we found distinct interactions between the sites in CYP2C19 and CYP2C9, revealing a region that is partially responsible for the difference in thermodynamic stability between the two homologs. Since these positions are also important for determining substrate specificity, there may be an evolutionary tradeoff between stability and altered enzymatic function. Finally, we used our data to analyze 368 previously unannotated human variants, finding that 43% had decreased abundance. Thus, by comparing variant effects between two closely related and important human genes, we have uncovered regions underlying their functional differences and paved the way for a more complete understanding of one of the most versatile families of enzymes.