We have identified a small-molecule inhibitor of tumor necrosis factor α (TNF-α) that promotes subunit disassembly of this trimeric cytokine family member. The compound inhibits TNF-α activity in biochemical and cell-based assays with median inhibitory concentrations of 22 and 4.6 micromolar, respectively. Formation of an intermediate complex between the compound and the intact trimer results in a 600-fold accelerated subunit dissociation rate that leads to trimer dissociation. A structure solved by x-ray crystallography reveals that a single compound molecule displaces a subunit of the trimer to form a complex with a dimer of TNF-α subunits.

Macrocycles have the potential to act on currently undruggable targets, but their discovery thus far has been unsystematic. A physicochemical analysis of all nonredundant co-crystal structures now sets out guidelines for macrocycle development. The potential utility of synthetic macrocycles (MCs) as drugs, particularly against low-druggability targets such as protein-protein interactions, has been widely discussed. There is little information, however, to guide the design of MCs for good target protein–binding activity or bioavailability. To address this knowledge gap, we analyze the binding modes of a representative set of MC–protein complexes. The results, combined with consideration of the physicochemical properties of approved macrocyclic drugs, allow us to propose specific guidelines for the design of synthetic MC libraries with structural and physicochemical features likely to favor strong binding to protein targets as well as good bioavailability. We additionally provide evidence that large, natural product–derived MCs can bind targets that are not druggable by conventional, drug-like compounds, supporting the notion that natural product–inspired synthetic MCs can expand the number of proteins that are druggable by synthetic small molecules.

Despite the growing number of examples of small-molecule inhibitors that disrupt protein–protein interactions (PPIs), the origin of druggability of such targets is poorly understood. To identify druggable sites in protein–protein interfaces we combine computational solvent mapping, which explores the protein surface using a variety of small “probe” molecules, with a conformer generator to account for side-chain flexibility. Applications to unliganded structures of 15 PPI target proteins show that the druggable sites comprise a cluster of binding hot spots, distinguishable from other regions of the protein due to their concave topology combined with a pattern of hydrophobic and polar functionality. This combination of properties confers on the hot spots a tendency to bind organic species possessing some polar groups decorating largely hydrophobic scaffolds. Thus, druggable sites at PPI are not simply sites that are complementary to particular organic functionality, but rather possess a general tendency to bind organic compounds with a variety of structures, including key side chains of the partner protein. Results also highlight the importance of conformational adaptivity at the binding site to allow the hot spots to expand to accommodate a ligand of drug-like dimensions. The critical components of this adaptivity are largely local, involving primarily low energy side-chain motions within 6 Å of a hot spot. The structural and physicochemical signature of druggable sites at PPI interfaces is sufficiently robust to be detectable from the structure of the unliganded protein, even when substantial conformational adaptation is required for optimal ligand binding.

Scaffold proteins help mediate interactions between protein partners, often to optimize intracellular signaling. Herein, we use comparative, biochemical, biophysical, molecular, and cellular approaches to investigate how the scaffold protein NEMO contributes to signaling in the NF-κB pathway. Comparison of NEMO and the related protein optineurin from a variety of evolutionarily distant organisms revealed that a central region of NEMO, called the Intervening Domain (IVD), is conserved between NEMO and optineurin. Previous studies have shown that this central core region of the IVD is required for cytokine-induced activation of IκB kinase (IKK). We show that the analogous region of optineurin can functionally replace the core region of the NEMO IVD. We also show that an intact IVD is required for the formation of disulfide-bonded dimers of NEMO. Moreover, inactivating mutations in this core region abrogate the ability of NEMO to form ubiquitin-induced liquid-liquid phase separation droplets in vitro and signal-induced puncta in vivo. Thermal and chemical denaturation studies of truncated NEMO variants indicate that the IVD, while not intrinsically destabilizing, can reduce the stability of surrounding regions of NEMO, due to the conflicting structural demands imparted on this region by flanking upstream and downstream domains. This conformational strain in the IVD mediates allosteric communication between N- and C-terminal regions of NEMO. Overall, these results support a model in which the IVD of NEMO participates in signal-induced activation of the IKK/NF-κB pathway by acting as a mediator of conformational changes in NEMO.