High-throughput screening (HTS) of chemical compounds to identify modulators of molecular targets is a mainstay of pharmaceutical development. Increasingly, HTS is being used to identify chemical probes of gene, pathway, and cell functions, with the ultimate goal of comprehensively delineating relationships between chemical structures and biological activities. Achieving this goal will require methodologies that efficiently generate pharmacological data from the primary screen and reliably profile the range of biological activities associated with large chemical libraries. Traditional HTS, which tests compounds at a single concentration, is not suited to this task, because HTS is burdened by frequent false positives and false negatives and requires extensive follow-up testing. We have developed a paradigm, quantitative HTS (qHTS), tested with the enzyme pyruvate kinase, to generate concentration–response curves for >60,000 compounds in a single experiment. We show that this method is precise, refractory to variations in sample preparation, and identifies compounds with a wide range of activities. Concentration–response curves were classified to rapidly identify pyruvate kinase activators and inhibitors with a variety of potencies and efficacies and elucidate structure–activity relationships directly from the primary screen. Comparison of qHTS with traditional single-concentration HTS revealed a high prevalence of false negatives in the single-point screen. This study demonstrates the feasibility of qHTS for accurately profiling every compound in large chemical libraries (>10 5 compounds). qHTS produces rich data sets that can be immediately mined for reliable biological activities, thereby providing a platform for chemical genomics and accelerating the identification of leads for drug discovery.

A major cause of the paucity of new starting points for drug discovery is the lack of interaction between academia and industry. Much of the global resource in biology is present in universities, whereas the focus of medicinal chemistry is still largely within industry. Open source drug discovery, with sharing of information, is clearly a first step towards overcoming this gap. But the interface could especially be bridged through a scale-up of open sharing of physical compounds, which would accelerate the finding of new starting points for drug discovery. The Medicines for Malaria Venture Malaria Box is a collection of over 400 compounds representing families of structures identified in phenotypic screens of pharmaceutical and academic libraries against the Plasmodium falciparum malaria parasite. The set has now been distributed to almost 200 research groups globally in the last two years, with the only stipulation that information from the screens is deposited in the public domain. This paper reports for the first time on 236 screens that have been carried out against the Malaria Box and compares these results with 55 assays that were previously published, in a format that allows a meta-analysis of the combined dataset. The combined biochemical and cellular assays presented here suggest mechanisms of action for 135 (34%) of the compounds active in killing multiple life-cycle stages of the malaria parasite, including asexual blood, liver, gametocyte, gametes and insect ookinete stages. In addition, many compounds demonstrated activity against other pathogens, showing hits in assays with 16 protozoa, 7 helminths, 9 bacterial and mycobacterial species, the dengue fever mosquito vector, and the NCI60 human cancer cell line panel of 60 human tumor cell lines. Toxicological, pharmacokinetic and metabolic properties were collected on all the compounds, assisting in the selection of the most promising candidates for murine proof-of-concept experiments and medicinal chemistry programs. The data for all of these assays are presented and analyzed to show how outstanding leads for many indications can be selected. These results reveal the immense potential for translating the dispersed expertise in biological assays involving human pathogens into drug discovery starting points, by providing open access to new families of molecules, and emphasize how a small additional investment made to help acquire and distribute compounds, and sharing the data, can catalyze drug discovery for dozens of different indications. Another lesson is that when multiple screens from different groups are run on the same library, results can be integrated quickly to select the most valuable starting points for subsequent medicinal chemistry efforts.

Small-molecule compounds approved for use as drugs may be "repurposed" for new indications and studied to determine the mechanisms of their beneficial and adverse effects. A comprehensive collection of all small-molecule drugs approved for human use would be invaluable for systematic repurposing across human diseases, particularly for rare and neglected diseases, for which the cost and time required for development of a new chemical entity are often prohibitive. Previous efforts to build such a comprehensive collection have been limited by the complexities, redundancies, and semantic inconsistencies of drug naming within and among regulatory agencies worldwide; a lack of clear conceptualization of what constitutes a drug; and a lack of access to physical samples. We report here the creation of a definitive, complete, and nonredundant list of all approved molecular entities as a freely available electronic resource and a physical collection of small molecules amenable to high-throughput screening.

Two drugs, miconazole and clobetasol, have functions that modulate differentiation of oligodendrocyte progenitor cells directly, enhance remyelination, and significantly reduce disease severity in mouse models of multiple sclerosis. Multiple sclerosis is characterized by an autoimmune response and failure of remyelination in the brain due to defects in differentiation of myelin-producing cells from oligodendrocyte progenitor cells. Most current treatments target the immune system. Paul Tesar and colleagues screened for compounds that can enhance oligodendrocyte maturation from mouse pluripotent epiblast stem-cell-derived oligodendrocyte progenitors. They found two drugs — miconazole (an antifungal) and clobetasol (a steroid) — that enhance myelin production in vivo in mouse models of multiple sclerosis and enhanced the differentiation of human oligodendrocytes progenitors in vitro. Mechanistically, these compounds appear to target both the immune response and oligodendrocyte progenitor cells. Multiple sclerosis involves an aberrant autoimmune response and progressive failure of remyelination in the central nervous system. Prevention of neural degeneration and subsequent disability requires remyelination through the generation of new oligodendrocytes, but current treatments exclusively target the immune system. Oligodendrocyte progenitor cells are stem cells in the central nervous system and the principal source of myelinating oligodendrocytes1. These cells are abundant in demyelinated regions of patients with multiple sclerosis, yet fail to differentiate, thereby representing a cellular target for pharmacological intervention2. To discover therapeutic compounds for enhancing myelination from endogenous oligodendrocyte progenitor cells, we screened a library of bioactive small molecules on mouse pluripotent epiblast stem-cell-derived oligodendrocyte progenitor cells3,4,5. Here we show seven drugs function at nanomolar doses selectively to enhance the generation of mature oligodendrocytes from progenitor cells in vitro. Two drugs, miconazole and clobetasol, are effective in promoting precocious myelination in organotypic cerebellar slice cultures, and in vivo in early postnatal mouse pups. Systemic delivery of each of the two drugs significantly increases the number of new oligodendrocytes and enhances remyelination in a lysolecithin-induced mouse model of focal demyelination. Administering each of the two drugs at the peak of disease in an experimental autoimmune encephalomyelitis mouse model of chronic progressive multiple sclerosis results in striking reversal of disease severity. Immune response assays show that miconazole functions directly as a remyelinating drug with no effect on the immune system, whereas clobetasol is a potent immunosuppressant as well as a remyelinating agent. Mechanistic studies show that miconazole and clobetasol function in oligodendrocyte progenitor cells through mitogen-activated protein kinase and glucocorticoid receptor signalling, respectively. Furthermore, both drugs enhance the generation of human oligodendrocytes from human oligodendrocyte progenitor cells in vitro. Collectively, our results provide a rationale for testing miconazole and clobetasol, or structurally modified derivatives, to enhance remyelination in patients.

The activity of the histone lysine methyltransferase NSD2 is thought to play a driving role in oncogenesis. Both overexpression of NSD2 and point mutations that increase its catalytic activity are associated with a variety of human cancers. While NSD2 is an attractive therapeutic target, no potent, selective and cell-active inhibitors have been reported to date, possibly due to the challenging nature of developing high-throughput assays for NSD2. To establish a platform for the discovery and development of selective NSD2 inhibitors, multiple assays were optimized and implemented. Quantitative high-throughput screening was performed with full-length wild-type NSD2 and a nucleosome substrate against a diverse collection of known bioactives comprising 16,251 compounds. Actives from the primary screen were further interrogated with orthogonal and counter assays, as well as activity assays with the clinically relevant NSD2 mutants E1099K and T1150A. Five confirmed inhibitors were selected for follow-up, which included a radiolabeled validation assay, surface plasmon resonance studies, methyltransferase profiling, and histone methylation in cells. The identification of NSD2 inhibitors that bind the catalytic SET domain and demonstrate activity in cells validates the workflow, providing a template for identifying selective NSD2 inhibitors.

Isocitrate dehydrogenase 1 and 2 (IDH1 and IDH2) are key metabolic enzymes that are mutated in a variety of cancers to confer a gain-of-function activity resulting in the accumulation and secretion of an oncometabolite, D-2-hydroxyglutarate (2-HG). Accumulation of 2-HG can result in epigenetic dysregulation and a block in cellular differentiation, suggesting these mutations play a role in neoplasia. Based on its potential as a cancer target, a number of small molecule inhibitors have been developed to specifically inhibit mutant forms of IDH (mIDH1 and mIDH2). Here, a panel of mIDH inhibitors were systematically profiled using biochemical, cell-based, and tier-one ADME techniques. We quantified the biochemical effect of each inhibitor on mIDH1 (R132H and R132C) and mIDH2 (R172Q). The effect of these inhibitors on 2-HG concentrations in seven cell lines representing five different IDH1 mutations in both 2D and 3D cell cultures was assessed. Target engagement of these inhibitors was analyzed utilizing cellular thermal shift assays (CETSA), the effects of inhibitors on reversing 2- HG-induced block on leukemic cellular differentiation. We conclude from our mIDH1 assay panel that AG-120 and a Novartis inhibitor exhibited excellent activity in all biochemical and most cellular assays. While AG-120 has superior DMPK properties, it lacks efficacy a leukemic differentiation model. In conclusion, we present a comprehensive suite of in vitro preclinical drug development assays that can be used as a tool-box to identify lead compounds for mIDH drug discovery programs, as well as what we believe is the most comprehensive publically available dataset on the top mIDH inhibitors.

Thrombosis, a key factor in most cardiovascular diseases, is a major contributor to human mortality. Existing antithrombotic agents carry a risk of bleeding. Consequently, there is a keen interest in discovering innovative antithrombotic agents that can prevent thrombosis without negatively impacting hemostasis. Platelets play crucial roles in both hemostasis and thrombosis. We have previously characterized calcium- and integrin-binding protein 1 (CIB1) as a key regulatory molecule that regulates platelet function. CIB1 interacts with several platelet proteins including integrin αIIbβ3, the major glycoprotein receptor for fibrinogen on platelets. Given that CIB1 regulates platelet function through its interaction with αIIbβ3, we developed a fluorescence polarization (FP) assay to screen for potential inhibitors. The assay was miniaturized to 1536-well and screened in quantitative high-throughput screening (qHTS) format against a diverse compound library of 14,782 compounds. After validation and selectivity testing using the FP assay, we identified 19 candidate inhibitors and validated them using an in-gel binding assay that monitors the interaction of CIB1 with αIIb cytoplasmic tail peptide, followed by testing of top hits by intrinsic tryptophan fluorescence (ITF) and microscale thermophoresis (MST) to ascertain their interaction with CIB1. Two of the validated hits shared similar chemical structures, suggesting a common mechanism of action. Docking studies further revealed promising interactions within the hydrophobic binding pocket of the target protein, particularly forming key hydrogen bonds with Ser180. The compounds exhibited a potent antiplatelet activity based on their inhibition of thrombin-induced human platelet aggregation, thus indicating that disruptors of the CIB1- αIIbβ3 interaction could carry a translational potential as antithrombotic agents.

Lysine acetyltransferases (KATs) play a critical role in the regulation of transcription and other genomic functions. However, a persistent challenge is the development of assays capable of defining KAT activity directly in living cells. Towards this goal, here we report the application of a previously reported dCas9-p300 fusion as a transcriptional reporter of KAT activity. First we benchmark the activity of dCas9-p300 relative to other dCas9-based transcriptional activators, and demonstrate its compatibility with second generation short guide RNA architectures. Next, we repurpose this technology to rapidly identify small molecule inhibitors of acetylation-dependent gene expression. These studies validate a recently reported p300 inhibitor chemotype, and reveal a role for p300s bromodomain in dCas9-p300-mediated transcriptional activation. Comparison with other CRISPR-Cas9 transcriptional activators highlights the inherent ligand tuneable nature of dCas9-p300 fusions, suggesting new opportunities for orthogonal gene expression control. Overall, our studies highlight dCas9-p300 as a powerful tool for studying gene expression mechanisms in which acetylation plays a causal role, and provide a foundation for future applications requiring spatiotemporal control over acetylation at specific genomic loci.

Triple-negative breast cancer (TNBC) is a poor prognosis disease with no clinically approved targeted therapies. Here, using in vitro and in vivo RNA interference (RNAi) screens in TNBC patient-derived xenografts (PDX), we identify cyclin dependent kinase 19 (CDK19) as a potential therapeutic target. Using in vitro and in vivo TNBC PDX models, we validated the inhibitory effect of CDK19 knockdown on tumor initiation, proliferation and metastases. Despite this, CDK19 knockdown did not affect the growth of non-transformed mammary epithelial cells. Using CD10 and EpCAM as novel tumor initiating cell (TIC) markers, we found the EpCAM(med/high)/(CD10-/low) TIC sub-population to be enriched in CDK19 and a putative cellular target of CDK19 inhibition. Comparative gene expression analysis of CDK19 and CDK8 knockdowns revealed that CDK19 regulates a number of cancer-relevant pathways, uniquely through its own action and others in common with CDK8. Furthermore, although it is known that CDK19 can act at enhancers, our CHIP-Seq studies showed that CDK19 can also epigenetically modulate specific H3K27Ac enhancer signals which correlate with gene expression changes. Finally, to assess the potential therapeutic utility of CDK19, we showed that both CDK19 knockdown and chemical inhibition of CDK19 kinase activity impaired the growth of pre-established PDX tumors in vivo. Current strategies inhibiting transcriptional co-factors and targeting TICs have been limited by toxicity to normal cells. Because of CDK19s limited tissue distribution and the viability of CDK19 knockout mice, CDK19 represents a promising therapeutic target for TNBC.

Lecithin:cholesterol acyltransferase (LCAT) and LCAT-activating small molecules are being investigated as treatments for coronary heart disease (CHD) and familial LCAT deficiency (FLD). Herein we report the crystal structure of LCAT bound to a potent activator and an acyl intermediate-like inhibitor, thereby revealing an active conformation of LCAT and that the activator is bound exclusively to its membrane-binding domain (MBD). Functional studies indicate that the compound does not modulate the affinity of LCAT for HDL, but instead stabilizes residues in the MBD and likely facilitates channeling of substrates into the active site. By demonstrating that these activators increase the activity of an FLD variant, we show that compounds targeting the MBD have therapeutic potential. In addition, our data better define the acyl binding site of LCAT and pave the way for rational design of LCAT agonists and improved biotherapeutics for augmenting or restoring reverse cholesterol transport in CHD and FLD patients.