Abstract RAS is the most commonly mutated oncogene in human cancers and RAS-driven tumors are amongst the most difficult to treat. Historically, discovery of therapeutics targeting this protein has proven challenging due to a lack of deep hydrophobic pockets to which a small molecule might bind. The single such pocket available is normally occupied by GDP or GTP which have millimolar cellular concentrations and picomolar affinities for KRAS and hence is challenging to target. The recent FDA approval of sotorasib, a covalent modifier of the KRAS G12C mutant protein, has clinically validated KRAS as an oncology target. However, traditional challenges remain for targeting the more common KRAS mutations such as G12D and G12V. As an alternative approach, we investigated the superior binding capacity of macrocyclic peptides to identify KRAS inhibitory molecules. We focused on the recently reported disulfide-cyclized arginine-rich peptide KRpep-2d , discovered through phage display and previously independently confirmed by us as a bona fide KRAS binder. To mitigate intracellular disulfide reduction and loss of binding, we identified an alternate cyclization motif by inverting the configuration of Cys5 and linking it to Cys15 through a thioacetal bridge. The corresponding peptide bound KRAS through cis isomerization of the peptide bond between D-Cys5 and Pro6 as observed through x-ray crystallography. Prototypic molecules displayed measurable cellular inhibition of RAS signaling without membrane lysis and counter-screen off-target activity. An analogue containing azido-lysine confirmed the cell penetrant nature of this molecule using our recently reported NanoClick assay. To improve cellular activity, we sought to improve proteolytic stability. Structure-activity relationship studies identified key scaffold residues critical for binding and revealed that replacement of N- and C-terminal arginine residues with D-arginines and introduction of an α-methyl moiety at Ser10 resulted in a molecule with improved proteolytic stability as indicated by its persistence in whole cell homogenate. The resulting peptide MP-3995 had improved and sustained cell-based efficacy. On-target activity was validated through confirmation of target engagement, lack of signaling in irrelevant pathways, and use of non-binding control peptides. Mechanism of action studies suggested that peptide binding to both GDP- and GTP-states of KRAS may contribute to cellular activity. Although validated as bona fide and on-target inhibitors of cell based KRAS signaling, this series is unlikely to advance to the clinic in its current form due to its arginine-dependent cell entry mechanism. Indeed, we showed a strong correlation between net positive charge and histamine release in an ex vivo assay making this series challenging to study in vivo . Nonetheless, these molecules provide valuable templates for further medicinal chemistry efforts aimed at leveraging this unique inhibitory binding site on KRAS. Abstract Figure

Abstract How the self-assembly of partially disordered proteins generates functional compartments in the cytoplasm and particularly in the nucleus is poorly understood. Nucleophosmin 1 (NPM1) is an abundant nucleolar protein that forms large oligomers which provide the scaffold for ribosome assembly but also prevent protein aggregation as part of the cellular stress response. Examining the relationship between the self-assembly and chaperone activity of NPM1, we find that oligomerization of full-length NPM1 modulates its ability to retard amyloid formation in vitro . Machine learning and cryo-electron microscopy reveal fuzzy interactions between the disordered region and the C-terminal nucleotide-binding domain that cross-link NPM1 pentamers into oligomers. Ribosomal peptides mediate in a tighter association within the oligomers, reducing their capacity to prevent amyloid formation. We conclude that NPM1 uses a “grappling hook” interaction to form a network-like structure whose chaperone activity is tuned by basic proteins, suggesting a regulatory mechanism for the nucleolar stress response.

Abstract Activation of p53 by small molecule MDM2 inhibitors can induce cell cycle arrest or death in p53 wildtype cancer cells. However, cancer cells exposed to hypoxia can develop resistance to other small molecules, such as chemotherapies, that activate p53. Here, we evaluated whether hypoxia could render cancer cells insensitive to two MDM2 inhibitors with different potencies, nutlin-3a and navtemadlin. Inhibitor efficacy and potency were evaluated under short-term hypoxic conditions in human and mouse cancer cells expressing different p53 genotypes (wild-type, mutant, or null). Treatment of wild-type p53 cancer cells with MDM2 inhibitors reduced cell growth by >75% in hypoxia through activation of the p53-p21 signaling pathway; no inhibitor-induced growth reduction was observed in hypoxic mutant or null p53 cells except at very high concentrations. The concentration of inhibitors needed to induce the maximal p53 response was not significantly different in hypoxia compared to normoxia. However, inhibitor efficacy varied by species and by cell line, with stronger effects at lower concentrations observed in human cell lines than in mouse cell lines grown as 2D and 3D cultures. Together, these results indicate that MDM2 inhibitors retain efficacy in hypoxia, suggesting they could be useful for targeting acutely hypoxic cancer cells.

The expression levels of Immunoglobulin elements and their receptors are important markers for health and disease. Within the immunoglobulin, the constant regions and the variable region families are associated with certain pathologies, yet a holistic view of the interaction between the expression of the multiple genes remain to be fully characterized. There is thus an important need to quantify antibody elements, their receptors and the receptor subunits in blood (PBMC cDNA) for both screening and detailed studies of such associations. Leveraging on qPCR, we designed primers for all Vκ1-6, VH1-7, Vλ1-11, nine CH isotypes, Cκ, Cκ, Cλ1 &3, FcεRI α,β, and γ subunits, all three FcγR and their subunits, and FcαR. Validating this on a volunteer PBMCs, we show a qPCR primer set repertoire that can quantify the relative expression of all the above genes to GAPDH housekeeping gene, with implications and uses in both clinical monitoring and research.

Targeted degradation approaches have recently generated much excitement as a paradigm shift to address human disease in unprecedented ways. Amongst these, small molecule based approaches such as Proteolysis targeting chimeras (PROTACs) have attracted the lion’s share of attention due to their potential to tackle historically intractable targets and achieve greater potency, efficacy, and specificity over traditional small molecule inhibitors. Despite their promise, the identification of high-affinity ligands that can serve as starting points for PROTAC strategies remains challenging. As a complementary approach, we describe herein a class of intracellular biologics termed bioPROTACs. The substrate binding component of these fusion proteins consists of a peptide or an antibody-mimetic which allows for an unprecedented diversity of protein targets that can be addressed. The high-affinity binder is linked directly to an E3 ubiquitin ligase to harness the power of targeted degradation. Using GFP-tagged proteins as model substrates, we show that there is considerable flexibility in both the choice of substrate binders (binding positions, scaffold-class) and the E3 ligases. Indeed, 9 out of 16 binder-E3 combinations tested resulted in greater than 70% target clearance. Through a systematic approach, we then identified a highly effective bioPROTAC against an oncology target, proliferating cell nuclear antigen (PCNA), a sliding DNA clamp with critical roles in DNA replication and repair. The bioPROTAC, termed Con1-SPOP, elicited rapid and robust PCNA degradation and associated effects on DNA synthesis and cell cycle progression. Compared to RNAi-based approaches which typically take days to manifest, PCNA knockdown using Con1-SPOP was evident within 4 h. The advantage of degradation versus stoichiometric inhibition was also clearly demonstrated with bioPROTAC strategies. Combining superior pharmacological inhibition and relative ease of development, bioPROTACs are powerful tools for interrogating the degradability of a substrate, for guiding the identification of the fittest E3 ligase, for studying the functional consequences associated with target protein down-regulation, and potentially for making therapeutic impacts.

Discovery of false-positive target binding, due to assay interference or aggregation, presents a significant problem for drug discovery programs. These issues may often be unrealized and could lead researchers astray if not subject to independent verification of reproducibility and/or on-target mechanism of action. Although well-documented for small molecules, this issue has not been widely explored for peptide modality. As a case study, we demonstrate that two purported KRas inhibitors, stapled peptide SAH-SOS1 A and macrocyclic peptide cyclorasin 9A5, exemplify false-positive molecules – both in terms of their sub-micromolar KRas binding affinities and their on-target cellular activities. We observed that the apparent binding of fluorescein-labeled SAH-SOS1 A given by a fluorescence polarization assay is sensitive to detergent. False-positive readouts can arise from peptide adsorption to the surface of microplates. Hence, we used surface plasmon resonance and isothermal titration calorimetry to unambiguously show that both SAH-SOS1 A and cyclorasin 9A5 are non-binders for KRas. Thermal shift assay and hydrogen-deuterium exchange mass spectrometry further demonstrate that both peptides destabilize KRas and induce unfolding of the protein. Furthermore, both peptides caused significant release of intracellular lactate dehydrogenase, suggesting that membrane rupture rather than on-target activity is accountable for their reported cytotoxicity. Finally, both peptides exhibited off-target activities by inhibiting the proliferation of U-2 OS and A549 cells, despite their independency of the KRas signaling pathway. Our findings demonstrate the critical need to employ orthogonal binding assays and cellular counter-screens to de-risk false-positive molecules. More rigorous workflows should lead to improved data and help obviate inadvertent scientific conclusions.Significance statement False positive molecule hits occur frequently in high-throughput screens and can contaminate the scientific literature. This has become an increasingly serious issue in small molecule drug discovery and chemical probe development and it is not surprising that peptides may be similarly prone to assay interference. Using KRas as a target and two known macrocyclic peptide inhibitors as a case study, we clearly show that reporter-free biophysical assays and cellular counter-screens offer the solution to detect and de-risk the potential of false-positive compounds. We further discuss the advantages, limitations and overall strategic importance of such methods.

Abstract Intrinsically disordered regions (IDRs) in proteins can regulate their activity by facilitating protein-protein interactions (PPIs) as exemplified in the recruitment of the eukaryotic translation initiation factor 4E (eIF4E) protein by the protein eIF4G. Deregulation of this PPI module is central to a broad spectrum of cancer related malignancies and its targeted inhibition through bioactive peptides is a promising strategy for therapeutic intervention. We have employed a structure-guided approach to rationally develop peptide derivatives from the intrinsically disordered eIF4G scaffold by incorporating non-natural amino acids that facilitates disorder-to-order transition. The conformational heterogeneity of these peptides and the degree of structural reorganization required to adopt the optimum mode of interaction with eIF4E underscores their differential binding affinities. The presence of a pre-structured local helical element in the ensemble of structures was instrumental in the efficient docking of the peptides on to the protein surface. These insights were exploited to further design features into the peptide to propagate bound-state conformations in solution which resulted in the generation of a potent eIF4E binder. The study illustrates the molecular basis of eIF4E recognition by a disordered epitope from eIF4G and its modulation to generate peptides that can potentially attenuate translation initiation in oncology.

Peptide-based inhibitors hold great potential for targeted modulation of intracellular protein-protein interactions (PPIs) by leveraging vast chemical space relative to primary structure via sequence diversity as well as conformationally through varying secondary and tertiary structures. However, the development of peptide therapeutics has been hindered because of their limited conformational stability, proteolytic sensitivity and cell permeability. Several contemporary peptide design strategies address these issues to varying degrees. Strategic macrocyclization through optimally placed chemical braces such as olefinic hydrocarbon crosslinks, commonly referred to as staples, may address these issues by i) restricting conformational freedom to improve target affinities, ii) improving proteolytic resistance, and iii) enhancing cell permeability. Conversely, molecules constructed entirely from D-amino acids are hyper-resistant to proteolytic cleavage, but generally lack conformational stability and membrane permeability. Since neither approach is a complete solution, we have combined these strategies to identify the first examples of all-D α-helical stapled and stitched peptides. As a template, we used a recently reported all D-linear peptide that is a potent inhibitor of the p53-Mdm2 interaction, but is devoid of cellular activity. To design both stapled and stitched all-D-peptide analogues, we used computational modelling to predict optimal staple placement. The resultant novel macrocyclic all D-peptide was determined to exhibit increased α-helicity, improved target binding, complete proteolytic stability and, most notably, cellular activity.

Abstract Protein disorder is a major hurdle for structural biology. A prominent example is the tumour suppressor p53, whose low expression levels and poor conformational stability due to a high degree of disorder pose major challenges to the development of cancer therapeutics. Here, we address these issues by fusing p53 to an engineered spider silk domain termed NT * . The chimeric protein displays highly efficient translation in vitro and in E. coli and is fully active in human cancer cells. The transmission electron microscopy structure and native mass spectrometry reveal that the full-length p53 fusion protein adopts a compact conformation. Molecular dynamics simulations show that the disordered transactivation domain of p53 is wound around the NT * domain via a series of folding events, resulting in a globular structure. We find that expression of B-Raf, another partially disordered cancer target, is similarly enhanced by fusion to NT * . In summary, we demonstrate how inducing co-translational folding via a molecular “spindle and thread” mechanism can overcome poor translation efficiency of partially disordered proteins.

ABSTRACT Vemurafenib is a BRAF kinase inhibitor (BRAFi) that is used to treat melanoma patients harbouring the constitutively active BRAF-V600E mutation. However, after a few months of treatment patients often develop resistance to vemurafenib leading to disease progression. Sequence analysis of drug-resistant tumour cells and functional genomic screens have identified several genes that regulate vemurafenib resistance. Reactivation of mitogen-activated protein kinase (MAPK) pathway is a recurrent feature of cells that develop resistance to vemurafenib. We performed a genome-scale CRISPR-based knockout screen to identify modulators of vemurafenib resistance in melanoma cells with a highly improved CRISPR sgRNA library called Brunello. We identified 33 genes that regulate resistance to vemurafenib out of which 14 genes have not been reported before. Gene Ontology enrichment analysis showed that the hit genes regulate histone modification, transcription and cell cycle. We discuss how inactivation of hit genes might confer resistance to vemurafenib and provide a framework for follow-up investigations.