Abstract AlphaFold is an artificial intelligence approach for predicting the three‐dimensional (3D) structures of proteins with atomic accuracy. One challenge that limits the use of AlphaFold models for drug discovery is the correct prediction of folding in the absence of ligands and cofactors, which compromises their direct use. We have previously described the optimization and use of the histone deacetylase 11 (HDAC11) AlphaFold model for the docking of selective inhibitors such as FT895 and SIS17. Based on the predicted binding mode of FT895 in the optimized HDAC11 AlphaFold model, a new scaffold for HDAC11 inhibitors was designed, and the resulting compounds were tested in vitro against various HDAC isoforms. Compound 5a proved to be the most active compound with an IC 50 of 365 nM and was able to selectively inhibit HDAC11. Furthermore, docking of 5a showed a binding mode comparable to FT895 but could not adopt any reasonable poses in other HDAC isoforms. We further supported the docking results with molecular dynamics simulations that confirmed the predicted binding mode. 5a also showed promising activity with an EC 50 of 3.6 µM on neuroblastoma cells.

Abstract Polyglutamylation is a reversible post-translational modification that is catalyzed by enzymes from the tubulin tyrosine ligase-like (TTLL) family. Here, we found that TTLL11 generates a previously unknown type of polyglutamylation initiated by the addition of a glutamate residue to the free C-terminal carboxyl group of a substrate protein. TTLL11 efficiently polyglutamylates the Wnt signaling protein Disheveled 3 (DVL3), thereby changing the interactome of DVL3, as well as it increases its capacity to get phosphorylated, to undergo liquid-liquid phase separation (LLPS), and to act in the non-canonical Wnt pathway. Both carboxyterminal polyglutamylation and the resulting reduction in LLPS capacity of DVL3 were reverted by the deglutamylating enzyme CCP6, which demonstrates the causal relationship between TTLL11-mediated polyglutamylation and LLPS. We thus discovered a novel type of posttranslational modification, which significantly broadens the range of proteins that can be modified by polyglutamylation and provides the first evidence that polyglutamylation can act as a regulator of protein LLPS.

Abstract Human extracellular 6- O -endosulfatases Sulf-1 and Sulf-2 are the only enzymes that post-synthetically alter the 6- O sulfation of heparan sulfate proteoglycans (HSPG), which regulates interactions of HSPG with many proteins. Oncogenicity of Sulf-2 in different cancers has been documented and we have shown that Sulf-2 is associated with poor survival outcomes in head and neck squamous cell carcinoma (HNSCC). In spite of its importance, limited information is available on direct protein-protein interactions of the Sulf-2 protein in the tumor microenvironment. In this study, we used monoclonal antibody (mAb) affinity purification and mass spectrometry to identify galectin-3-binding protein (LG3BP) as a highly specific binding partner of Sulf-2 in the secretome of HNSCC cell lines. We validated their direct interaction in vitro using recombinant proteins and have shown that the chondroitin sulfate (CS) covalently bound to the Sulf-2 influences the binding to LG3BP. We confirmed importance of the CS chain for the interaction by generating a mutant Sulf-2 protein that lacks the CS. Importantly, we have shown that the LG3BP inhibits Sulf-2 activity in vitro in a concentration dependent manner. As a consequence, the addition of LG3BP to a spheroid cell culture inhibited invasion of the HNSCC cells into Matrigel. Thus, Sulf-2 interaction with LG3BP has functional relevance, and may regulate physiological activity of the Sulf-2 enzyme as well as its activity in the tumor microenvironment.

Histone deacetylase 11 (HDAC11) is a sole member of the class IV HDAC subfamily with negligible intrinsic deacetylation activity. Here we report in vitro profiling of HDAC11 deacylase activities, and our data unequivocally show that the enzyme efficiently removes acyl moieties spanning 8-18 carbons from the side chain nitrogen of the lysine residue of a peptidic substrate. Additionally, N-linked lipoic acid and biotin are removed by the enzyme, although with lower efficacy. Catalytic efficiencies toward dodecanoylated and myristoylated peptides exceed 70,000 M-1s-1 making HDAC11 the most proficient fatty acid deacylase of the HDAC family. Interestingly, HDAC11 is strongly inhibited by free myristic, palmitic and stearic acids with inhibition constants of 6.5 μM, 0.9 μM, and 1.6 μM, respectively. At the same time, its deacylase activity is stimulated more than 2.5-fold by both palmitoyl-coenzyme A and myristoyl-coenzyme A, pointing toward metabolic control of the enzymatic activity by fatty acid metabolites. Our data reveal novel enzymatic activity of HDAC11 that can, in turn, facilitate the uncovering of additional biological functions of the enzyme as well as the design of isoform-specific HDAC inhibitors.

Prostate cancer (PCa) ranks as the second leading cause of cancer-related deaths among men in the United States. Prostate-specific membrane antigen (PSMA) represents a well-established biomarker of PCa and its levels correlate positively with the disease progression, culminating at the stage of metastatic castration-resistant prostate cancer. Due to its tissue-specific expression and cell surface localization, PSMA shows superior potential for precise imaging and therapy of PCa. Antibody-based immunotherapy targeting PSMA offers the promise of selectively engaging the host immune system with minimal off-target effects. Here we report on the design, expression, purification, and characterization of a bispecific engager, termed 5D3-CP33, that efficiently recruits macrophages to the vicinity of PSMA-positive cancer cells mediating PCa death. The engager was engineered by fusing the anti-PSMA 5D3 antibody fragment to a cyclic peptide 33 (CP33) selectively binding the Fc gamma receptor I (FcγRI/CD64) on the surface of phagocytes. Functional parts of 5D3-CP33 engager revealed nanomolar affinity for PSMA and FcγRI/CD64 with dissociation constants of KD = 3 nM and KD = 140 nM, respectively. At a concentration as low as 0.3 nM, the engager was found to trigger production of reactive oxygen species by U937 monocytic cells in the presence of PSMA-positive cells. Moreover, flow cytometry analysis demonstrated antibody-dependent cell-mediated phagocytosis of PSMA-positive cancer cells by U937 monocytes when exposed to 0.1 nM 5D3-CP33. Our findings illustrate that 5D3-CP33 effectively and specifically activates monocytes upon PSMA-positive target engagement, resulting in the elimination of tumor cells. The 5D3-CP33 engager can thus serve as a promising lead for the development of new immunotherapy tools for the efficient treatment of PCa.

Abstract Human glutamate carboxypeptidase 2 (GCP2) from the M28B metalloprotease group is an important target for therapy in neurological disorders and an established tumor marker. However, its physiological functions remain unclear. To better understand general roles, we used the model organism Caenorhabditis elegans genetically manipulate its three existing orthologous genes and evaluate the impact on worm physiology. The results of gene knockout studies showed that C. elegans GCP2 orthologs affect the pharyngeal physiology, reproduction, and structural integrity of the organism. Promoter-driven GFP expression revealed distinct localization for each of the three gene paralogs, with gcp-2 . 1 being most abundant in muscles, intestine, and pharyngeal interneurons, gcp-2 . 2 restricted to the phasmid neurons, and gcp-2 . 3 located in the excretory cell. This study provides new insight into the unique phenotypic effects of GCP2 gene knockouts in C. elegans , and the specific tissue localizations. We believe that elucidation of particular roles in a non-mammalian organism can help to explain important questions linked to human GCP2 physiology and in extension to GCP2 involvement in pathophysiological processes.

Intracellular trafficking of organelles, driven by kinesin-1 stepping along microtubules, underpins essential processes including neuronal activity. In absence of other proteins on the microtubule surface, kinesin-1 performs micron-long runs. Under protein crowding conditions, however, kinesin-1 motility is drastically impeded. It is thus unclear how kinesin-1 acts as an efficient transporter in crowded intracellular environments. Here, we demonstrate that TRAK1 (Milton), an adaptor protein essential for mitochondrial trafficking, activates kinesin-1 and increases its robustness of stepping in protein crowding conditions. Interaction with TRAK1 i) facilitated kinesin-1 navigation around obstacles, ii) increased the probability of kinesin-1 passing through cohesive envelopes of tau and iii) increased the run length of kinesin-1 in cell lysate. We explain the enhanced motility by the observed direct interaction of TRAK1 with microtubules, providing an additional anchor for the kinesin-1-TRAK1 complex. We propose adaptor-mediated tethering as a mechanism regulating kinesin-1 motility in various cellular environments.

Human extracellular 6-O-endosulfatases Sulf-1 and Sulf-2 are the only enzymes that post-synthetically alter the 6-O sulfation of heparan sulfate proteoglycans (HSPG), which regulates interactions of HSPG with many proteins. Oncogenicity of Sulf-2 in different cancers has been documented, and we have shown that Sulf-2 is associated with poor survival outcomes in head and neck squamous cell carcinoma (HNSCC). Despite its importance, limited information is available on direct protein-protein interactions of the Sulf-2 protein in the tumor microenvironment. In this study, we used monoclonal antibody (mAb) affinity purification and mass spectrometry to identify galectin-3-binding protein (LG3BP) as a highly specific binding partner of Sulf-2 in the conditioned media of HNSCC cell lines. We validated their direct interaction in vitro using recombinant proteins and have shown that the chondroitin sulfate (CS) covalently bound to the Sulf-2 influences the binding to LG3BP. We confirmed the importance of the CS chain for the interaction by generating a mutant Sulf-2 protein that lacks the CS. Importantly, we have shown that the LG3BP inhibits Sulf-2 activity in vitro in a concentration-dependent manner. As a consequence, the addition of LG3BP to a spheroid cell culture inhibited the invasion of the HNSCC cells into Matrigel. Thus, Sulf-2 interaction with LG3BP may regulate the physiological activity of the Sulf-2 enzyme as well as its activity in the tumor microenvironment.