Summary Most human proteins lack chemical probes, and several large-scale and generalizable small-molecule binding assays have been introduced to address this problem. How compounds discovered in such “binding-first” assays affect protein function, nonetheless, often remains unclear. Here, we describe a “function-first” proteomic strategy that uses size exclusion chromatography (SEC) to assess the global impact of electrophilic compounds on protein complexes in human cells. Integrating the SEC data with cysteine-directed activity-based protein profiling identifies changes in protein-protein interactions that are caused by site-specific liganding events, including the stereoselective engagement of cysteines in PSME1 and SF3B1 that disrupt the PA28 proteasome regulatory complex and stabilize a dynamic state of the spliceosome, respectively. Our findings thus show how multidimensional proteomic analysis of focused libraries of electrophilic compounds can expedite the discovery of chemical probes with site-specific functional effects on protein complexes in human cells.

Ligand-dependent protein degradation has emerged as a compelling strategy to pharmacologically control the protein content of cells. So far, only a limited number of E3 ligases have been found to support this process. Here, we use a chemical proteomic strategy to discover that DCAF16 - a poorly characterized substrate recognition component of CUL4-DDB1 E3 ubiquitin ligases - promotes nuclear-restricted protein degradation upon modification by cysteine-directed heterobifunctional electrophilic compounds.

Electrophilic compounds originating from nature or chemical synthesis have profound effects on immune cells. These compounds are thought to act by cysteine modification to alter the functions of immune-relevant proteins; however, our understanding of electrophile-sensitive cysteines in the human immune proteome remains limited. Here, we present a global map of cysteines in primary human T cells that are susceptible to covalent modification by electrophilic small molecules. More than 3000 covalently liganded cysteines were found on functionally and structurally diverse proteins, including many that play fundamental roles in immunology. We further show that electrophilic compounds can impair T cell activation by distinct mechanisms involving direct functional perturbation and/or ligand-induced degradation of proteins. Our findings reveal a rich content of ligandable cysteines in human T cells, underscoring the potential of electrophilic small molecules as a fertile source for chemical probes and ultimately therapeutics that modulate immunological processes and their associated disorders.