On average, an approved drug currently costs US$2-3 billion and takes more than 10 years to develop1. In part, this is due to expensive and time-consuming wet-laboratory experiments, poor initial hit compounds and the high attrition rates in the (pre-)clinical phases. Structure-based virtual screening has the potential to mitigate these problems. With structure-based virtual screening, the quality of the hits improves with the number of compounds screened2. However, despite the fact that large databases of compounds exist, the ability to carry out large-scale structure-based virtual screening on computer clusters in an accessible, efficient and flexible manner has remained difficult. Here we describe VirtualFlow, a highly automated and versatile open-source platform with perfect scaling behaviour that is able to prepare and efficiently screen ultra-large libraries of compounds. VirtualFlow is able to use a variety of the most powerful docking programs. Using VirtualFlow, we prepared one of the largest and freely available ready-to-dock ligand libraries, with more than 1.4 billion commercially available molecules. To demonstrate the power of VirtualFlow, we screened more than 1 billion compounds and identified a set of structurally diverse molecules that bind to KEAP1 with submicromolar affinity. One of the lead inhibitors (iKeap1) engages KEAP1 with nanomolar affinity (dissociation constant (Kd) = 114 nM) and disrupts the interaction between KEAP1 and the transcription factor NRF2. This illustrates the potential of VirtualFlow to access vast regions of the chemical space and identify molecules that bind with high affinity to target proteins.

ABSTRACT Enzymatic pockets such as those of histone deacetylases (HDACs) are among the most favored targets for drug development. However, enzymatic inhibitors often exhibit low selectivity and high toxicity due to targeting multiple enzyme paralogs, which are often involved in distinct multisubunit complexes. Here, we report the discovery and characterization of a non-enzymatic small molecule inhibitor of HDAC transcriptional repression functions with comparable anti-tumor activity to the enzymatic HDAC inhibitor Vorinostat, and anti-psychedelic activity of an HDAC2 knockout in vivo . We highlight that these phenotypes are achieved while modulating the expression of 20- and 80-fold fewer genes than enzymatic and genetic inhibition in the respective models. Thus, by achieving the same biological outcomes as established therapeutics while impacting a dramatically smaller number of genes, inhibitors of protein-protein interactions can offer important advantages in improving the selectivity of epigenetic modulators. GRAPHICAL ABSTRACT