SUMMARY A unifying feature of the RAS superfamily is a functionally conserved GTPase cycle that proteins use to transition between active and inactive states. Here, we demonstrate that active site autophosphorylation of some small GTPases is an intrinsic regulatory mechanism that reduces nucleotide hydrolysis and enhances nucleotide exchange, thus altering the on/off switch that forms the basis for their signaling functions. Using x-ray crystallography, nuclear magnetic resonance spectroscopy, biolayer interferometry binding assays, and molecular dynamics on autophosphorylated mutants of H-RAS and K-RAS, we show that phosphoryl transfer from GTP requires dynamic movement of the switch II domain and that autophosphorylation promotes nucleotide exchange by opening of the active site and extraction of the stabilizing Mg. Finally, we demonstrate that autophosphorylated K-RAS exhibits altered effector interactions, including a reduced affinity for RAF proteins. Thus, autophosphorylation leads to altered active site dynamics and effector interaction properties, creating a pool of GTPases that are functionally distinct from the non-phosphorylated counterpart.

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

Abstract The transcription factor TEAD, together with its coactivator YAP/TAZ, is a key transcriptional modulator of the Hippo pathway. Activation of TEAD transcription by YAP has been implicated in a number of malignancies, and this complex represents a promising target for drug discovery. However, both YAP and its extensive binding interfaces to TEAD have been difficult to address using small molecules, mainly due to a lack of druggable pockets. TEAD is post-translationally modified by palmitoylation that targets a conserved cysteine at a central pocket, which provides an opportunity to develop cysteine-directed covalent small molecules for TEAD inhibition. Here, we employed covalent fragment screening approach followed by structure-based design to develop an irreversible TEAD inhibitor MYF-03-69. Using a range of in vitro and cell-based assays we demonstrated that through a covalent binding with TEAD palmitate pocket, MYF-03-69 disrupts YAP-TEAD association, suppresses TEAD transcriptional activity and inhibits cell growth of Hippo signaling defective malignant pleural mesothelioma (MPM). Further, a cell viability screening with a panel of 903 cancer cell lines indicated a high correlation between TEAD-YAP dependency and the sensitivity to MYF-03-69. Transcription profiling identified the upregulation of proapoptotic BMF gene in cancer cells that are sensitive to TEAD inhibition. Further optimization of MYF-03-69 led to an in vivo compatible compound MYF-03-176, which shows strong antitumor efficacy in MPM mouse xenograft model via oral administration. Taken together, we disclosed a story of the development of covalent TEAD inhibitors and its high therapeutic potential for clinic treatment for the cancers that are driven by TEAD-YAP alteration.