The “BH3-only” proteins of the BCL-2 family require “multidomain” proapoptotic members BAX and BAK to release cytochrome c from mitochondria and kill cells. We find short peptides representing the α-helical BH3 domains of BID or BIM are capable of inducing oligomerization of BAK and BAX to release cytochrome c. Another subset characterized by the BH3 peptides from BAD and BIK cannot directly activate BAX, BAK but instead binds antiapoptotic BCL-2, resulting in the displacement of BID-like BH3 domains that initiate mitochondrial dysfunction. Transduced BAD-like and BID-like BH3 peptides also displayed synergy in killing leukemic cells. These data support a two-class model for BH3 domains: BID-like domains that “activate” BAX, BAK and BAD-like domains that “sensitize” by occupying the pocket of antiapoptotic members.

BCL-2 family proteins constitute a critical control point for the regulation of apoptosis. Protein interaction between BCL-2 members is a prominent mechanism of control and is mediated through the amphipathic α-helical BH3 segment, an essential death domain. We used a chemical strategy, termed hydrocarbon stapling, to generate BH3 peptides with improved pharmacologic properties. The stapled peptides, called “stabilized alpha-helix of BCL-2 domains” (SAHBs), proved to be helical, protease-resistant, and cell-permeable molecules that bound with increased affinity to multidomain BCL-2 member pockets. A SAHB of the BH3 domain from the BID protein specifically activated the apoptotic pathway to kill leukemia cells. In addition, SAHB effectively inhibited the growth of human leukemia xenografts in vivo. Hydrocarbon stapling of native peptides may provide a useful strategy for experimental and therapeutic modulation of protein-protein interactions in many signaling pathways.

BAX is a pro-apoptotic protein of the BCL-2 family that is stationed in the cytosol until activated by a diversity of stress stimuli to induce cell death. Anti-apoptotic proteins such as BCL-2 counteract BAX-mediated cell death. Although an interaction site that confers survival functionality has been defined for anti-apoptotic proteins, an activation site has not been identified for BAX, rendering its explicit trigger mechanism unknown. We previously developed stabilized α-helix of BCL-2 domains (SAHBs) that directly initiate BAX-mediated mitochondrial apoptosis. Here we demonstrate by NMR analysis that BIM SAHB binds BAX at an interaction site that is distinct from the canonical binding groove characterized for anti-apoptotic proteins. The specificity of the human BIM-SAHB–BAX interaction is highlighted by point mutagenesis that disrupts functional activity, confirming that BAX activation is initiated at this novel structural location. Thus, we have now defined a BAX interaction site for direct activation, establishing a new target for therapeutic modulation of apoptosis. The trigger mechanism by which apoptosis-inducing proteins such as BAX become activated remains a matter of vigorous debate. Here, a structural analysis of full length BAX in complex with a peptide derived from its activator BIM reveals a novel and unforeseen interaction site. This does not involve the classic hydrophobic groove reported for inhibitors of apoptosis. The identification of BAX's activation site not only provides mechanistic insights into a cell's demise, but also adds a potential new therapeutic target to the list of apoptosis modulators. A structural analysis of the apoptosis-inducing protein BAX in complex with a peptide derived from its activator BIM reveals an unforeseen interaction site that does not involve the classic hydrophobic groove reported for inhibitors of apoptosis. This identification of BAX's activation site provides mechanistic insights into a cell's demise.

The p53-hDM2 protein interaction is a validated therapeutic target in cancer. We report the synthesis of stabilized alpha-helix of p53 (SAH-p53) compounds that antagonize the p53-hDM2 interaction. We demonstrate that hydrocarbon stapling confers cellular permeability to a p53 peptide that is then capable of modulating transcriptional activity. The lead SAH-p53 compound triggers apoptosis in hDM2-overexpressing cancer cells by reactivating the native p53 signaling pathway. SAH-p53 is the first example of an all-hydrocarbon i, i+7 stabilized peptide that subverts cancer through direct modulation of a transcriptional pathway.

Significance We present, to our knowledge, the first comprehensive next-generation sequencing of osteosarcoma in combination with a functional genomic screen in a genetically defined mouse model of osteosarcoma. Our data provide a strong rationale for targeting the phosphatidylinositol 3-kinase/mammalian target of rapamycin pathway in osteosarcoma and a foundation for rational clinical trial design. These findings present an immediate clinical opportunity because multiple inhibitors of this pathway are currently in clinical trials.

MCL-1 has emerged as a major oncogenic and chemoresistance factor. A screen of stapled peptide helices identified the MCL-1 BH3 domain as selectively inhibiting MCL-1 among the related anti-apoptotic Bcl-2 family members, providing insights into the molecular determinants of binding specificity and a new approach for sensitizing cancer cells to apoptosis. The development of selective inhibitors for discrete anti-apoptotic BCL-2 family proteins implicated in pathologic cell survival remains a formidable but pressing challenge. Such precisely tailored compounds would serve as molecular probes and targeted therapies to study and treat human diseases driven by specific anti-apoptotic blockades. In particular, MCL-1 has emerged as a major resistance factor in human cancer. By screening a library of stabilized alpha-helix of BCL-2 domains (SAHBs), we determined that the MCL-1 BH3 helix is itself a potent and exclusive MCL-1 inhibitor. X-ray crystallography and mutagenesis studies defined key binding and specificity determinants, including the capacity to harness the hydrocarbon staple to optimize affinity while preserving selectivity. MCL-1 SAHB directly targets MCL-1, neutralizes its inhibitory interaction with pro-apoptotic BAK and sensitizes cancer cells to caspase-dependent apoptosis. By leveraging nature's solution to ligand selectivity, we generated an MCL-1–specific agent that defines the structural and functional features of targeted MCL-1 inhibition.

BAX is a multidomain proapoptotic BCL-2 family protein that resides in the cytosol until activated by an incompletely understood trigger mechanism, which facilitates BAX translocation to mitochondria and downstream death events. Whether BAX is activated by direct contact with select BH3-only members of the BCL-2 family is highly debated. Here we detect and quantify a direct binding interaction between BAX and a hydrocarbon-stapled BID BH3 domain, which triggers the functional activation of BAX at nanomolar doses in vitro. Chemical reinforcement of BID BH3 α helicity was required to reveal the direct BID BH3-BAX association. We confirm the specificity of this BH3 interaction by characterizing a stapled BAD BH3 peptide that interacts with antiapoptotic BCL-XL but does not bind or activate BAX. We further demonstrate that membrane targeting of stapled BID BH3 optimizes its ability to activate BAX, supporting a model in which BID directly engages BAX to trigger mitochondrial apoptosis.

The authors identify EZH2 as a general underlying dependency of tumors with mutations in the SWI/SNF chromatin regulator complex, and they show that EZH2's pro-tumorigenic role may be dependent on non-catalytic activities. This may pose new opportunities and challenges for using EZH2 as a cancer therapy target. Human cancer genome sequencing has recently revealed that genes that encode subunits of SWI/SNF chromatin remodeling complexes are frequently mutated across a wide variety of cancers, and several subunits of the complex have been shown to have bona fide tumor suppressor activity1. However, whether mutations in SWI/SNF subunits result in shared dependencies is unknown. Here we show that EZH2, a catalytic subunit of the polycomb repressive complex 2 (PRC2), is essential in all tested cancer cell lines and xenografts harboring mutations of the SWI/SNF subunits ARID1A, PBRM1, and SMARCA4, which are several of the most frequently mutated SWI/SNF subunits in human cancer, but that co-occurrence of a Ras pathway mutation is correlated with abrogation of this dependence. Notably, we demonstrate that SWI/SNF-mutant cancer cells are primarily dependent on a non-catalytic role of EZH2 in the stabilization of the PRC2 complex, and that they are only partially dependent on EZH2 histone methyltransferase activity. These results not only reveal a shared dependency of cancers with genetic alterations in SWI/SNF subunits, but also suggest that EZH2 enzymatic inhibitors now in clinical development may not fully suppress the oncogenic activity of EZH2.

The pharmacologic utility of lengthy peptides can be hindered by loss of bioactive structure and rapid proteolysis, which limits bioavailability. For example, enfuvirtide (Fuzeon, T20, DP178), a 36-amino acid peptide that inhibits human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) infection by effectively targeting the viral fusion apparatus, has been relegated to a salvage treatment option mostly due to poor in vivo stability and lack of oral bioavailability. To overcome the proteolytic shortcomings of long peptides as therapeutics, we examined the biophysical, biological, and pharmacologic impact of inserting all-hydrocarbon staples into an HIV-1 fusion inhibitor. We find that peptide double-stapling confers striking protease resistance that translates into markedly improved pharmacokinetic properties, including oral absorption. We determined that the hydrocarbon staples create a proteolytic shield by combining reinforcement of overall α-helical structure, which slows the kinetics of proteolysis, with complete blockade of peptide cleavage at constrained sites in the immediate vicinity of the staple. Importantly, double-stapling also optimizes the antiviral activity of HIV-1 fusion peptides and the antiproteolytic feature extends to other therapeutic peptide templates, such as the diabetes drug exenatide (Byetta). Thus, hydrocarbon double-stapling may unlock the therapeutic potential of natural bioactive polypeptides by transforming them into structurally fortified agents with enhanced bioavailability.