Kinase inhibitors are important cancer therapeutics. Polypharmacology is commonly observed, requiring thorough target deconvolution to understand drug mechanism of action. Using chemical proteomics, we analyzed the target spectrum of 243 clinically evaluated kinase drugs. The data revealed previously unknown targets for established drugs, offered a perspective on the "druggable" kinome, highlighted (non)kinase off-targets, and suggested potential therapeutic applications. Integration of phosphoproteomic data refined drug-affected pathways, identified response markers, and strengthened rationale for combination treatments. We exemplify translational value by discovering SIK2 (salt-inducible kinase 2) inhibitors that modulate cytokine production in primary cells, by identifying drugs against the lung cancer survival marker MELK (maternal embryonic leucine zipper kinase), and by repurposing cabozantinib to treat FLT3-ITD-positive acute myeloid leukemia. This resource, available via the ProteomicsDB database, should facilitate basic, clinical, and drug discovery research and aid clinical decision-making.

Abstract Targeted protein degradation (TPD) has emerged as a powerful approach in drug discovery for removing (rather than inhibiting) proteins implicated in diseases. A key step in this approach is the formation of an induced proximity complex, where a degrader molecule recruits an E3 ligase to the protein of interest (POI), facilitating the transfer of ubiquitin to the POI and initiating the proteasomal degradation process. Here, we address three critical aspects of the TPD process: 1) formation of the ternary complex induced by a degrader molecule, 2) conformational heterogeneity of the ternary complex, and 3) assessment of ubiquitination propensity via the full Cullin Ring Ligase (CRL) macromolecular assembly. The novel approach presented here combines experimental biophysical data—in this case hydrogen-deuterium exchange mass spectrometry (HDX-MS, which measures the solvent exposure of protein residues)—with all-atom explicit solvent molecular dynamics (MD) simulations aided by enhanced sampling techniques to predict structural ensembles of ternary complexes at atomic resolution. We present results demonstrating the efficiency, accuracy, and reliability of our approach to predict ternary structure ensembles using the bromodomain of SMARCA2 (SMARCA2 BD ) with the E3 ligase VHL as the system of interest. The simulations reproduce X-ray crystal structures – including prospective simulations validated on a new structure that we determined in this work (PDB ID: 7S4E) – with root mean square deviations (RMSD) of 1.1 to 1.6 Å. The simulations also reveal a structural ensemble of low-energy conformations of the ternary complex within a broad energy basin. To further characterize the structural ensemble, we used snapshots from the aforementioned simulations as seeds for Hamiltonian replica exchange molecular dynamics (HREMD) simulations, and then perform 7.1 milliseconds of aggregate simulation time using Folding@home. The resulting free energy surface identifies the crystal structure conformation within a broad low-energy basin and the dynamic ensemble is consistent with solution-phase biophysical experimental data (HDX-MS and small-angle x-ray scattering, SAXS). Finally, we graft structures from the ternary complexes onto the full CRL and perform enhanced sampling simulations, where we find that differences in degradation efficiency can be explained by the proximity distribution of lysine residues on the POI relative to the E2-loaded ubiquitin. Several of the top predicted ubiquitinated lysine residues are validated prospectively through a ubiquitin mapping proteomics experiment.