ABSTRACT Mutations to RAS proteins (H-, N-, and K-RAS) are amongst the most common oncogenic drivers and tumors harboring these lesions are some of the most difficult to treat. Although the recently discovered covalent small molecules against the KRAS G12C mutant have shown promising efficacy against lung cancers, traditional barriers remain for drugging the more prevalent KRAS G12D and KRAS G12V mutants. Targeted degradation has emerged as an attractive alternative approach but for KRAS, identification of the required high-affinity ligands continues to be a challenge. Another significant hurdle is the discovery of a hybrid molecule that appends an E3 ligase-recruiting moiety in a manner that satisfies the precise geometries required for productive polyubiquitin transfer while maintaining favorable drug-like properties. As a tool to gain insights into the advantages and feasibility of KRAS targeted-degradation, we applied the bioPROTAC approach. This workflow centers on the intracellular expression of a chimeric protein consisting of a high-affinity target-binding domain fused to an engineered E3 ligase adapter. We generated a series of anti-RAS bioPROTACs that span different RAS isoform/nucleotide-state specificities and leverage different E3 ligases. Overall, our results provide definitive evidence for the degradability of RAS proteins. We further elucidate the functional consequences of RAS degradation, the susceptibility and degradation kinetics of various mutant KRAS, and the prevalence of different nucleotide-states in WT and mutant KRAS. Finally, if delivery challenges can be addressed, anti-RAS bioPROTACs will be exciting candidates for clinical development.

Abstract The introduction of pyrazinamide (PZA) in the tuberculosis drug regimen shortened treatment from 12 to 6 months 1 . PZA is a prodrug that is activated by a Mycobacterium tuberculosis (Mtb) amidase to release its bioactive component pyrazinoic acid (POA) 2 . Aspartate decarboxylase PanD, a proenzyme activated by autocatalytic cleavage (Supplementary Fig. 1A, 3 ) and required for Coenzyme A (CoA) biosynthesis, emerged as a target of POA 4-7 . In vitro and in vivo screening to isolate spontaneous POA-resistant Mtb mutants identified missense mutations in either panD or the unfoldase clpC1 , encoding a component of the caseinolytic protease ClpC1-ClpP 4,6-9 . Overexpression and binding studies of PanD or ClpC1 pointed to PanD as the direct target of POA whereas clpC1 mutations appeared to indirectly cause resistance 4,5,7,9,10 . Indeed, supplementing growth media with CoA precursors downstream of the PanD catalyzed step conferred POA resistance 4,7,11 . Metabolomic analyses and biophysical studies using recombinant proteins confirmed targeting of PanD by POA 5 . However, the exact molecular mechanism of PanD inhibition by POA remained unknown. While most drugs act by inhibiting protein function upon target binding, we show here that POA is not a bona fide enzyme inhibitor. Rather, POA binding to PanD triggers degradation of the protein by ClpC1-ClpP. Thus, the old tuberculosis drug PZA promotes degradation of its target. While novel for an antibacterial, drug-induced target degradation has recently emerged as a strategy in drug discovery across disease indications. Our findings provide the basis for the rational discovery of next generation PZA.

Abstract Immune checkpoint blockade (ICB) leads to durable and complete tumour regression in some patients but in others gives temporary, partial or no response. Accordingly, significant efforts are underway to identify tumour-intrinsic mechanisms underlying ICB resistance. Results from a published CRISPR screen in a mouse model suggested that targeting STUB1, an E3 ligase involved in protein homeostasis, may overcome ICB resistance but the molecular basis of this effect remains unclear. Herein, we report an under-appreciated role of STUB1 to dampen the interferon gamma (IFNγ) response. Genetic deletion of STUB1 increased IFNGR1 abundance on the cell surface and thus enhanced the downstream IFNγ response as showed by multiple approaches including Western blotting, flow cytometry, qPCR, phospho-STAT1 assay, immunopeptidomics, proteomics, and gene expression profiling. Human prostate and breast cancer cells with STUB1 deletion were also susceptible to cytokine-induced growth inhibition. Furthermore, blockade of STUB1 protein function recapitulated the STUB1 -null phenotypes. Despite these encouraging in vitro data and positive implications from clinical datasets, we did not observe in vivo benefits of inactivating Stub1 in mouse syngeneic tumour models – with or without combination with anti-PD-1 therapy. However, our findings elucidate STUB1 as a barrier to IFNγ sensing, prompting further investigations to assess if broader inactivation of human STUB1 in both tumors and immune cells could overcome ICB resistance.

Abstract RAS is the most commonly mutated oncogene in human cancers and RAS-driven tumors are amongst the most difficult to treat. Historically, discovery of therapeutics targeting this protein has proven challenging due to a lack of deep hydrophobic pockets to which a small molecule might bind. The single such pocket available is normally occupied by GDP or GTP which have millimolar cellular concentrations and picomolar affinities for KRAS and hence is challenging to target. The recent FDA approval of sotorasib, a covalent modifier of the KRAS G12C mutant protein, has clinically validated KRAS as an oncology target. However, traditional challenges remain for targeting the more common KRAS mutations such as G12D and G12V. As an alternative approach, we investigated the superior binding capacity of macrocyclic peptides to identify KRAS inhibitory molecules. We focused on the recently reported disulfide-cyclized arginine-rich peptide KRpep-2d , discovered through phage display and previously independently confirmed by us as a bona fide KRAS binder. To mitigate intracellular disulfide reduction and loss of binding, we identified an alternate cyclization motif by inverting the configuration of Cys5 and linking it to Cys15 through a thioacetal bridge. The corresponding peptide bound KRAS through cis isomerization of the peptide bond between D-Cys5 and Pro6 as observed through x-ray crystallography. Prototypic molecules displayed measurable cellular inhibition of RAS signaling without membrane lysis and counter-screen off-target activity. An analogue containing azido-lysine confirmed the cell penetrant nature of this molecule using our recently reported NanoClick assay. To improve cellular activity, we sought to improve proteolytic stability. Structure-activity relationship studies identified key scaffold residues critical for binding and revealed that replacement of N- and C-terminal arginine residues with D-arginines and introduction of an α-methyl moiety at Ser10 resulted in a molecule with improved proteolytic stability as indicated by its persistence in whole cell homogenate. The resulting peptide MP-3995 had improved and sustained cell-based efficacy. On-target activity was validated through confirmation of target engagement, lack of signaling in irrelevant pathways, and use of non-binding control peptides. Mechanism of action studies suggested that peptide binding to both GDP- and GTP-states of KRAS may contribute to cellular activity. Although validated as bona fide and on-target inhibitors of cell based KRAS signaling, this series is unlikely to advance to the clinic in its current form due to its arginine-dependent cell entry mechanism. Indeed, we showed a strong correlation between net positive charge and histamine release in an ex vivo assay making this series challenging to study in vivo . Nonetheless, these molecules provide valuable templates for further medicinal chemistry efforts aimed at leveraging this unique inhibitory binding site on KRAS. Abstract Figure

The length and complexity of tuberculosis (TB) therapy, as well as the propensity of Mycobacterium tuberculosis to develop drug resistance, are major barriers to global TB control efforts. M. tuberculosis is known to have the ability to enter into a drug-tolerant state, which may explain many of these impediments to TB treatment. We have identified a novel mechanism of genetically encoded but rapidly reversible drug-tolerance in M. tuberculosis caused by transient frameshift mutations in a homopolymeric tract (HT) of seven cytosines (7C) in the glpK gene. Inactivating frameshift mutations associated with the 7C HT in glpK produce small colonies that exhibit heritable multi-drug increases in minimal inhibitory concentrations and decreases in drug-dependent killing; however, reversion back to a fully drug-susceptible large-colony phenotype occurs rapidly through the introduction of additional insertions or deletions in the same glpK HT region. These reversible frameshift mutations in the 7C HT of M. tuberculosis glpK occur in clinical isolates, accumulate in M. tuberculosis infected mice with further accumulation during drug treatment, and exhibit a reversible transcriptional profile including induction of dosR and sigH and repression of kstR regulons, similar to that observed in other in vitro models of M. tuberculosis tolerance. These results suggest that GlpK phase variation may contribute to drug-tolerance, treatment failure and relapse in human TB. Drugs effective against phase-variant M. tuberculosis may hasten TB treatment and improve cure rates.SIGNIFICANCE The ability of M. tuberculosis to survive during prolonged treatment has been attributed to either transient stress responses or fixed heritable drug-resistance producing mutations. We show that phase-variation in the M. tuberculosis glpK gene represents a third type of resistance mechanism. The ability of these glpK mutants to grow slowly and then rapidly revert suggests that these transiently-heritable changes may also explain how a hidden population of drug-tolerant bacteria develops during TB treatment. As a genetically trackable cause of drug-tolerance, M. tuberculosis glpK mutants provides a unique opportunity to study these phenomena at a cellular and mechanistic level. These mutants could also be used for developing drugs that target tolerant populations, leading to more rapid and effective TB treatments.

Recent COVID-19 vaccines unleashed the potential of mRNA-based therapeutics. mRNA optimization is indispensable for reducing immunogenicity, ensuring stability, and maximizing protein output. We present mRNAid, an experimentally validated software for mRNA optimization and visualization that generates mRNA sequences with comparable if not superior characteristics to commercially optimized sequences. To encompass all aspects of mRNA design, we also interrogated the impact of uridine content, nucleoside analogs and UTRs on expression and immunogenicity.