Abstract BH3 mimetics are protein-protein interaction (PPI) inhibitors that saturate anti-apoptotic proteins in the BCL2 family to induce apoptosis in cancer cells, a prominent example of protein complex-targeting therapies. Despite the remarkable success of the BH3 mimetic ABT-199 in treating hematological malignancies, only a fraction of patients respond to ABT-199 and eventually develop resistance, necessitating the predictive biomarkers for both initial responses and resistance development. We here used the single-molecule pull-down and co-immunoprecipitation platform to quantify more than 20 different types of PPI complexes using ∼1.2×10 6 cells in total, revealing the rewired status of the BCL2 family PPI network. By comparing the obtained multi-dimensional data with BH3 mimetic efficacies determined ex vivo , we constructed an analysis model for ABT-199 efficacy that designates the BCL2-BAX and BCLxL-BAK complexes as the primary mediators of drug effectiveness and resistance. We then applied this model to assist in therapeutic decision-making for acute myeloid leukemia patients in a prospective manner. Our work demonstrates a capability for the extensive characterization of PPI complexes in clinical specimens, potentially opening a new avenue of precision medicine for protein complex-targeting therapies.

Abstract B-cell-lymphoma-2 (BCL2) homology-3 (BH3) mimetics are inhibitors of protein–protein interactions (PPIs) that saturate anti-apoptotic proteins in the BCL2 family to induce apoptosis in cancer cells. Despite the success of the BH3-mimetic ABT-199 for the treatment of haematological malignancies, only a fraction of patients respond to the drug and most patients eventually develop resistance to it. Here we show that the efficacy of ABT-199 can be predicted by profiling the rewired status of the PPI network of the BCL2 family via single-molecule pull-down and co-immunoprecipitation to quantify more than 20 types of PPI from a total of only 1.2 × 10 6 cells per sample. By comparing the obtained multidimensional data with BH3-mimetic efficacies determined ex vivo, we constructed a model for predicting the efficacy of ABT-199 that designates two complexes of the BCL2 protein family as the primary mediators of drug effectiveness and resistance, and applied it to prospectively assist therapeutic decision-making for patients with acute myeloid leukaemia. The characterization of PPI complexes in clinical specimens opens up opportunities for individualized protein-complex-targeting therapies.