Abstract Bioactive peptides are key molecules in health and medicine. Deep learning holds a big promise for the discovery and design of bioactive peptides. Yet, suitable experimental approaches are required to validate candidates in high throughput and at low cost. Here, we established a cell- free protein synthesis (CFPS) pipeline for the rapid and inexpensive production of antimicrobial peptides (AMPs) directly from DNA templates. To validate our platform, we used deep learning to design thousands of AMPs de novo. Using computational methods, we prioritized 500 candidates that we produced and screened with our CFPS pipeline. We identified 30 functional AMPs, which we characterized further through molecular dynamics simulations, antimicrobial activity and toxicity. Notably, six de novo-AMPs feature broad-spectrum activity against multidrug-resistant pathogens and do not develop bacterial resistance. Our work demonstrates the potential of CFPS for production and testing of bioactive peptides within less than 24 hours and <10$ per screen.

Abstract Mirror-image proteins, composed of d -amino acids, are an attractive therapeutic modality, as they exhibit high metabolic stability and lack immunogenicity. Development of mirror-image binding proteins is achieved through chemical synthesis of d -target proteins, phage display library selection of l -binders and chemical synthesis of (mirror-image) d -binders that consequently bind the physiological l -targets. Monobodies are well-established synthetic ( l -)binding proteins and their small size (~90 residues) and lack of endogenous cysteine residues make them particularly accessible to chemical synthesis. Here, we develop monobodies with nanomolar binding affinities against the d -SH2 domain of the leukemic tyrosine kinase BCR::ABL1. Two crystal structures of heterochiral monobody-SH2 complexes reveal targeting of the pY binding pocket by an unconventional binding mode. We then prepare potent d -monobodies by either ligating two chemically synthesized d -peptides or by self-assembly without ligation. Their proper folding and stability are determined and high-affinity binding to the l -target is shown. d -monobodies are protease-resistant, show long-term plasma stability, inhibit BCR::ABL1 kinase activity and bind BCR::ABL1 in cell lysates and permeabilized cells. Hence, we demonstrate that functional d -monobodies can be developed readily. Our work represents an important step towards possible future therapeutic use of d -monobodies when combined with emerging methods to enable cytoplasmic delivery of monobodies.

Abstract Inhibition of protein-protein interactions (PPIs) via designed peptides is an effective strategy to interfere with their biological functions. The Elongin BC heterodimer (ELOB/C) is involved in transcription elongation and protein turnover by PPIs that involve the so-called BC-box. ELOB and ELOC are commonly upregulated in cancer and essential for cancer cell growth, making them attractive drug targets. However, no strategy has been established to inhibit their functions in cells, so far. Here, we report a peptide that mimics a high-affinity BC-box and tightly binds to the ELOB/C dimer ( k D = 0.45 ± 0.03 nM). Our peptide blocks the association of ELOB/C with its interaction partners, both in vitro and in the cellular environment. Cancer cells treated with this peptide inhibitor show decreased cell viability, altered cell cycle and increased apoptosis. Therefore, our work proposes that blocking the BC-box binding pocket of ELOB/C is a feasible strategy to impair the function of the ELOB/C heterodimer and inhibit cancer cell growth. Our peptide inhibitor promises novel mechanistic insights into the biological function of the ELOB/C dimer and offers a starting point for therapeutics linked to ELOB/C dysfunction.

Abstract The evolutionarily conserved histone variant H2A.Z plays a crucial role in various DNA-based processes but the underlying mechanisms by which it acts are not completely understood. Recently, we identified the zinc finger protein ZNF512B as an H2A.Z-, HMG20A- and PWWP2A-associated protein. Here, we report that ZNF512B binds the nucleosome remodeling and deacetylase (NuRD) complex. We discover a conserved amino acid sequence within ZNF512B that resembles the NuRD-interaction motif (NIM) previously identified in FOG-1 and other transcriptional regulators. By solving the crystal structure of this motif bound to the NuRD component RBBP4 and by applying several biochemical assays we demonstrate that this internal NIM is both necessary and sufficient for robust NuRD binding. Transcriptome analyses and reporter assays identify ZNF512B as a repressor of gene expression that can act in both NuRD-dependent and -independent ways. Surprisingly, high levels of ZNF512B expression lead to nuclear protein and chromatin aggregation foci that form independent of the interaction with the NuRD complex but depend on the zinc finger domains of ZNF512B. Our study has implications for diseases in which ZNF512B expression is deregulated, such as cancer and neurodegenerative diseases, and hint at the existence of more proteins as potential NuRD interactors.

Summary The ATP-dependent nucleosome remodeller Mi-2/CHD4 broadly modulates epigenetic landscapes to repress transcription and to maintain genome integrity. Here we use individual nucleotide resolution crosslinking and immunoprecipitation (iCLIP) to show that Drosophila Mi-2 associates with thousands of mRNA molecules in vivo . Biochemical data reveal that recombinant dMi-2 preferentially binds to G-rich RNA molecules using two intrinsically disordered regions of previously undefined function. Pharmacological inhibition of transcription and RNase digestion approaches establish that RNA inhibits the association of dMi-2 with chromatin. We also show that RNA inhibits dMi-2-mediated nucleosome mobilization by competing with the nucleosome substrate. Importantly, this activity is shared by CHD4, the human homolog of dMi-2, strongly suggesting that RNA-mediated regulation of remodeller activity is an evolutionary conserved mechanism. Our data support a model in which RNA serves to protect actively transcribed regions of the genome from dMi-2/CHD4- mediated establishment of repressive chromatin structures.

Proton-coupled electron transfer (PCET) is a fundamental redox process and has clear advantages in selectively activating challenging C–H bonds in many biological processes. Intrigued by this activation process, we aimed to develop a facile PCET process in cancer cells by modulating proton tunneling. This approach should lead to the design of an alternative photodynamic therapy (PDT) that depletes the mitochondrial electron transport chain (ETC), the key redox regulator in cancer cells under hypoxia. To observe this depletion process in the cancer cell, we monitored the oxidative-stress-induced depolarization of mitochondrial inner membrane potential (MMP) using fluorescence lifetime imaging microscopy (FLIM). Typically, increasing metabolic stress of cancer cells is reflected in a nontrivial change in the fluorophore's fluorescence lifetime. After 30 min of irradiation, we observed a shift in the mean lifetime value and a drastic drop in overall fluorescence signal. In addition, our PCET strategy resulted in drastic reorganization of mitochondrial morphology from tubular to vesicle-like and causing an overall depletion of intact mitochondria in the hypodermis of C. elegans. These observations confirmed that PCET promoted ROS-induced oxidative stress. Finally, we gained a clear understanding of the proton tunneling effect in the PCET process through photoluminescence experiments and DFT calculations.

Abstract The generation of lineage-specific gene expression programmes that alter proliferation capacity, metabolic profile and cell type-specific functions during differentiation from multipotent stem cells to specialised cell types is crucial for development. During differentiation gene expression programmes are dynamically modulated by a complex interplay between sequence-specific transcription factors, associated cofactors and epigenetic regulators. Here, we study U-shaped (Ush), a multi-zinc finger protein that maintains the multipotency of stem cell-like hemocyte progenitors during Drosophila hematopoiesis. Using genomewide approaches we reveal that Ush binds to promoters and enhancers and that it controls the expression of three gene classes that encode proteins relevant to stem cell-like functions and differentiation: cell cycle regulators, key metabolic enzymes and proteins conferring specific functions of differentiated hemocytes. We employ complementary biochemical approaches to characterise the molecular mechanisms of Ush-mediated gene regulation. We uncover distinct Ush isoforms one of which binds the Nucleosome Remodeling and Deacetylation (NuRD) complex using an evolutionary conserved peptide motif. Remarkably, the Ush/NuRD complex specifically contributes to the repression of lineage-specific genes but does not impact the expression of cell cycle regulators or metabolic genes. This reveals a mechanism that enables specific and concerted modulation of functionally related portions of a wider gene expression programme. Finally, we use genetic assays to demonstrate that Ush and NuRD regulate enhancer activity during hemocyte differentiation in vivo and that both cooperate to suppress the differentiation of lamellocytes, a highly specialised blood cell type. Our findings reveal that Ush coordinates proliferation, metabolism and cell type-specific activities by isoform-specific cooperation with an epigenetic regulator.

We have identified an mRNA cis-regulatory element which regulates the translation of N-terminally truncated proteoforms. nTRIP6 represents a short nuclear proteoform of the cytoplasmic LIM domain protein TRIP6. We have previously reported that nTRIP6 regulates the dynamics of skeletal muscle progenitor differentiation. Here we show that nTRIP6 is generated by translation initiation at an internal AUG and that its translation is repressed by a short open reading frame (sORF) immediately upstream of the nTRIP6 AUG. In an in vitro model of myogenic differentiation, the translation of nTRIP6 is transiently de-repressed in a mechanistic Target of Rapamycin Complex 1-dependent manner. Mining of a published translation initiation sites dataset revealed the existence of other internal sORFs which repress the translation of N-terminally truncated proteoforms. Based on their similarity with repressing upstream sORFs in mRNA 59 leader sequences, we have named these elements internal upstream ORFs (iuORFs).