Abstract Propelled partly by the Materials Genome Initiative, and partly by the algorithmic developments and the resounding successes of data-driven efforts in other domains, informatics strategies are beginning to take shape within materials science. These approaches lead to surrogate machine learning models that enable rapid predictions based purely on past data rather than by direct experimentation or by computations/simulations in which fundamental equations are explicitly solved. Data-centric informatics methods are becoming useful to determine material properties that are hard to measure or compute using traditional methods—due to the cost, time or effort involved—but for which reliable data either already exists or can be generated for at least a subset of the critical cases. Predictions are typically interpolative, involving fingerprinting a material numerically first, and then following a mapping (established via a learning algorithm) between the fingerprint and the property of interest. Fingerprints, also referred to as “descriptors”, may be of many types and scales, as dictated by the application domain and needs. Predictions may also be extrapolative—extending into new materials spaces—provided prediction uncertainties are properly taken into account. This article attempts to provide an overview of some of the recent successful data-driven “materials informatics” strategies undertaken in the last decade, with particular emphasis on the fingerprint or descriptor choices. The review also identifies some challenges the community is facing and those that should be overcome in the near future.

Abstract PARP1 is an abundant nuclear enzyme that is critically involved in DNA damage response. Its main enzymatic function is to catalyze a protein post-translational modification known as poly-ADP-ribosylation (PARylation). Despite the tremendous progresses of PARP1 inhibitors (PARPi) in the clinic, the basic mechanism of action of PARPi is poorly understood. Recent studies point to PARP1 trapping as a key factor driving the cytotoxic and immunomodulatory functions of PARPi. However, the molecular underpinnings of PARP1 trapping remain elusive. Here, using an unbiased, quantitative proteomic screen, we identified RING finger protein 114 (RNF114), as a PARylation-dependent, ubiquitin E3 ligase involved in DNA damage response. Upon sensing DNA damage, RNF114 was recruited, in a PAR-dependent manner, to the DNA lesions, where it specifically targeted PARylated-PARP1 for ubiquitin-proteasomal degradation. The blockade of this pathway interfered with the removal of PARP1 from the DNA damage site, leading to profound PARP1 trapping. We show that a natural product, Nimbolide, targeted RNF114 to block the degradation and removal of PARylated-PARP1 from DNA lesions. Unlike conventional PARPi, nimbolide treatment induced the trapping of both PARP1 and PARylation-dependent DNA repair factors. This unique mechanism of action of nimbolide translated into its superior cytotoxic effects against BRCA -deficient cancers. Furthermore, we demonstrated that, as a super trapper of both PARylated-PARP1 and PARylation-dependent DNA repair factors, nimbolide was able to overcome the intrinsic and acquired resistance to PARPi. Finally, we showed that nimbolide treatment activated innate immune signaling and was able to synergize with various cytotoxic agents. These results point to the exciting possibility of targeting homologous recombination-deficient cancers using nimbolide and its analogs.

Abstract The evolutionarily conserved serine/threonine kinase mTORC1 is a central regulator of cell growth and proliferation. mTORC1 is activated on the lysosome surface. However, once mTORC1 is activated, it is unclear whether mTORC1 phosphorylates local lysosomal proteins to regulate specific aspects of lysosomal biology. Through cross-reference analyses of lysosome proteomic with mTORC1-regulated phosphoproteomic, we identified STK11IP as a novel lysosome-specific substrate of mTORC1. mTORC1 directly phosphorylates STK11IP at S404. Knockout of STK11IP led to a robust increase of autophagosome-lysosome fusion and autophagy flux. Dephosphorylation of STK11IP at S404 represses the role of STK11IP as an autophagy inhibitor. Mechanistically, STK11IP binds to V-ATPase, and regulates the activity of V-ATPase. Knockout of STK11IP protects mice from fasting and Methionine and Choline-Deficient Diet (MCD) diet induced fatty liver. Thus, our study demonstrates that STK11IP phosphorylation represents a novel mechanism for mTORC1 to regulate lysosomal acidification, and points to STK11IP as a promising therapeutic target for the amelioration of diseases with aberrant autophagy signaling.

Abstract Protein hydroxylation is a post translational modification happens on various amino acids, which is catalyzed by the oxoglutarate and oxygen dependent dioxygenases. The best characterized hydroxylated protein is the hypoxia inducible factor (HIF), which is degraded by VHL/elongin C/elongin B/cullin 2/RBX1 (VCB/CR) E3 complex under normal oxygen conditions. Hypoxia or inhibitors (including FG4592 and MK8617) of PHDs stabilize HIF1a and regulate its downstream targets. Prolyl hydroxylase, including PHD2 and PHD3 has been reported in regulating actin polymerization and cell motility. Here, we found MK8617 regulated cell motility in Von Hippel Lindau (VHL) dependent manner. Through the protein hydroxylation proteome experiment upon MK8617 treatment, we identified Pro70 in actin could be hydroxylated and near to His73, which has been reported be methylated and stabilize actin polymerization. Using biochemical assay, we found that binding of VHL with hydroxylated actin (Pro70) decrease the His73 methylation by blocking the interaction of actin with SETD3, the His73 methyltransferase, and further regulated actin polymerization and cell motility. In summary, our study revealed that hypoxia and deficiencies in the VHL, in a HIF independent and prolyl hydroxylation dependent manner, regulate actin polymerization and cell motility through the PTM (Post Translational Modifications) crosstalk.

Abstract It is being increasingly appreciated that the immunomodulatory functions of PARP inhibitors (PARPi) underlie their clinical activities in various BRCA -mutated tumors. PARPi possess both PARP1 inhibition and PARP1 trapping activities. The relative contribution of these two mechanisms toward PARPi-induced innate immune signaling, however, is poorly understood. We find that the presence of the PARP1 protein with uncompromised DNA-binding activities is required for PARPi-induced innate immune response. The activation of cGAS-STING signaling induced by various PARPi closely depends on their PARP1 trapping activities. Finally, we show that a small molecule PARP1 degrader blocks the enzymatic activity of PARP1 without eliciting PARP1 trapping or cGAS-STING activation. Our findings thus identify PARP1 trapping as a major contributor of the immunomodulatory functions of PARPi. Although PARPi-induced innate immunity is highly desirable in human malignancies, the ability of “non-trapping” PARP1 degraders to avoid the activation of innate immune response could be useful in non-oncological diseases.

Abstract A subset of small cell lung cancer (SCLC) shows clinically relevant response to PARP1 inhibitors (PARPi). However, BRCA1/2 mutations are not commonly found in SCLC, and the underlying mechanism(s) of PARPi sensitivity in SCLC is poorly understood. We performed quantitative proteomic analyses and identified proteomic changes that signify PARPi responses in a large panel of molecularly annotated patient-derived SCLC lines. We found that the toxicity of PARPi in SCLC could be explained, at least in part, by the PARPi-induced degradation of key lineage-specific oncoproteins including ASCL1, NEUROD1, POU2F3, KDM4A, and KDM5B. Importantly, the degradation of these SCLC lineage-specific oncoproteins could also be induced by commonly used chemotherapeutic agents. Biochemical experiments showed that PARPi-induced activation of E3 ligases (e.g., HUWE1 and RNF8) mediated the ubiquitin-proteasome system (UPS)-dependent degradation of these oncoproteins. Interestingly, although PARPi resulted in a general DNA damage response in SCLC cells, this signal is sensed by different SCLC cell lines to generate a cell-specific response. The dissection of the cell-specific oncoprotein degradation response led to the identification of potentially predictive biomarkers for PARPi in SCLC. The combination of PARPi and agents targeting these pathways led to dramatically improved cytotoxicity in SCLC. PARPi-induced degradation of lineage-specific oncoproteins therefore represents a novel mechanism to explain the efficacy of PARPi in tumors without BRCA1/2 mutations. Highlights Quantitative mass spectrometric analysis identifies proteomic changes associated with PARPi treatment in a large panel of SCLC cell lines. PARPi leads to the degradation of lineage-specific oncoproteins (e.g., ASCL1 and KDM4A) via the DNA damage responsive E3 ubiquitin ligases (e.g., HUWE1 and RNF8). A combination of PARPi and agents targeting the lineage-specific oncoproteins offers a more complete and durable therapeutic response in SCLC, compared to PARPi alone. Expression of lineage-specific oncoproteins and the associated ubiquitination machinery are predictive biomarkers for PARPi-induced cytotoxicity in SCLC.

Abstract Although targeted inhibition of the MAPK pathway has achieved remarkable patient responses in many cancers with MAPK hyperactivation, the development of resistance has remained a critical challenge. Besides genomic resistance mechanisms, adaptive tumor response also underlies the resistance to targeted MAPK inhibitors. It is being increasingly appreciated that such bypass mechanisms often lead to the activation of many pro-survival kinases, which complicates the rational design of combination therapies. Here we performed global tyrosine phosphoproteomic (pTyr) analyses and demonstrated that targeted inhibition of MAPK signaling in melanoma cells leads to a profound remodeling of the pTyr proteome. Intriguingly, many of these kinases contain a cholesterol binding motif, suggesting that altered cholesterol metabolism might drive, in a coordinated fashion, the activation of these kinases. Indeed, we found a dramatic accumulation of intracellular cholesterol in melanoma cells (with BRAF V600E mutations) and non-small cell lung cancer cells (with KRAS G12C mutations) treated with MAPK and KRAS G12C inhibitors, respectively. Importantly, depletion of cholesterol not only prevented the MAPK inhibition-induced feedback activation of pTyr singling but also enhanced the cytotoxic effects of MAPK inhibitors, both in vitro and in vivo. Taken together, our findings provide the evidence suggesting that cholesterol functions as a master regulator of the tumor adaptive response to targeted MAPK inhibitors. These results also suggest that MAPK inhibitors could be combined with cholesterol-lowering agents to achieve a more complete and durable response in tumors with hyperactive MAPK signaling.