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.

Significance The treatment of cancer is highly reliant on drug combinations. Next-generation, targeted therapeutics are demonstrating interesting single-agent activities in clinical trials; however, the discovery of companion drugs through iterative clinical trial-and-error is not a tenable mechanism to prioritize clinically important combinations for these agents. Herein we describe the results of a large, high-throughput combination screen of the Bruton’s tyrosine kinase inhibitor ibrutinib versus a library of nearly 500 approved and investigational drugs. Multiple ibrutinib combinations were discovered through this study that can be prioritized for clinical examination.

High-throughput screening (HTS) is the primary technique for new lead identification in drug discovery and chemical biology. Unfortunately, it is susceptible to false-positive hits. One common mechanism for such false-positives is the congregation of organic molecules into colloidal aggregates, which nonspecifically inhibit enzymes. To both evaluate the feasibility of large-scale identification of aggregate-based inhibition and quantify its prevalence among screening hits, we tested 70,563 molecules from the National Institutes of Health Chemical Genomics Center (NCGC) library for detergent-sensitive inhibition. Each molecule was screened in at least seven concentrations, such that dose-response curves were obtained for all molecules in the library. There were 1274 inhibitors identified in total, of which 1204 were unambiguously detergent-sensitive. We identified these as aggregate-based inhibitors. Thirty-one library molecules were independently purchased and retested in secondary low-throughput experiments; 29 of these were confirmed as either aggregators or nonaggregators, as appropriate. Finally, with the dose-response information collected for every compound, we could examine the correlation between aggregate-based inhibition and steep dose-response curves. Three key results emerge from this study: first, detergent-dependent identification of aggregate-based inhibition is feasible on the large scale. Second, 95% of the actives obtained in this screen are aggregate-based inhibitors. Third, aggregate-based inhibition is correlated with steep dose-response curves, although not absolutely. The results of this screen are being released publicly via the PubChem database.

The 'druggable genome' encompasses several protein families, but only a subset of targets within them have attracted significant research attention and thus have information about them publicly available. The Illuminating the Druggable Genome (IDG) program was initiated in 2014, has the goal of developing experimental techniques and a Knowledge Management Center (KMC) that would collect and organize information about protein targets from four families, representing the most common druggable targets with an emphasis on understudied proteins. Here, we describe two resources developed by the KMC: the Target Central Resource Database (TCRD) which collates many heterogeneous gene/protein datasets and Pharos (https://pharos.nih.gov), a multimodal web interface that presents the data from TCRD. We briefly describe the types and sources of data considered by the KMC and then highlight features of the Pharos interface designed to enable intuitive access to the IDG knowledgebase. The aim of Pharos is to encourage 'serendipitous browsing', whereby related, relevant information is made easily discoverable. We conclude by describing two use cases that highlight the utility of Pharos and TCRD.

Deubiquitinases (DUBs) are peptidases that remove ubiquitin from post-translationally modified proteins. The identification of a selective small-molecule inhibitor of the USP1–UAF1 deubiquitination complex reveals a role for deubiquitination in regulating the DNA damage response. Protein ubiquitination and deubiquitination are central to the control of a large number of cellular pathways and signaling networks in eukaryotes. Although the essential roles of ubiquitination have been established in the eukaryotic DNA damage response, the deubiquitination process remains poorly defined. Chemical probes that perturb the activity of deubiquitinases (DUBs) are needed to characterize the cellular function of deubiquitination. Here we report ML323 (2), a highly potent inhibitor of the USP1–UAF1 deubiquitinase complex with excellent selectivity against human DUBs, deSUMOylase, deneddylase and unrelated proteases. Using ML323, we interrogated deubiquitination in the cellular response to UV- and cisplatin-induced DNA damage and revealed new insights into the requirement of deubiquitination in the DNA translesion synthesis and Fanconi anemia pathways. Moreover, ML323 potentiates cisplatin cytotoxicity in non–small cell lung cancer and osteosarcoma cells. Our findings point to USP1–UAF1 as a key regulator of the DNA damage response and a target for overcoming resistance to the platinum-based anticancer drugs.

Chemical genomics aims to comprehensively define, and ultimately predict, the effects of small molecule compounds on biological systems. Chemical activity profiling approaches must consider chemical effects on all pathways operative in mammalian cells. To enable a strategic and maximally efficient chemical profiling of pathway space, we have created the NCATS BioPlanet, a comprehensive integrated pathway resource that incorporates the universe of 1,658 human pathways sourced from publicly available, manually curated sources, which have been subjected to thorough redundancy and consistency cross-evaluation. BioPlanet supports interactive browsing, retrieval, and analysis of pathways, exploration of pathway connections, and pathway search by gene targets, category, and availability of corresponding bioactivity assay, as well as visualization of pathways on a 3-dimensional globe, in which the distance between any two pathways is proportional to their degree of gene component overlap. Using this resource, we propose a strategy to identify a minimal set of 362 biological assays that can interrogate the universe of human pathways. The NCATS BioPlanet is a public resource, which will be continually expanded and updated, for systems biology, toxicology, and chemical genomics, available at http://tripod.nih.gov/bioplanet/.

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.