The NEDD8-activating enzyme (NAE) initiates a protein homeostatic pathway essential for cancer cell growth and survival. MLN4924 is a selective inhibitor of NAE currently in clinical trials for the treatment of cancer. Here, we show that MLN4924 is a mechanism-based inhibitor of NAE and creates a covalent NEDD8-MLN4924 adduct catalyzed by the enzyme. The NEDD8-MLN4924 adduct resembles NEDD8 adenylate, the first intermediate in the NAE reaction cycle, but cannot be further utilized in subsequent intraenzyme reactions. The stability of the NEDD8-MLN4924 adduct within the NAE active site blocks enzyme activity, thereby accounting for the potent inhibition of the NEDD8 pathway by MLN4924. Importantly, we have determined that compounds resembling MLN4924 demonstrate the ability to form analogous adducts with other ubiquitin-like proteins (UBLs) catalyzed by their cognate-activating enzymes. These findings reveal insights into the mechanism of E1s and suggest a general strategy for selective inhibition of UBL conjugation pathways.

The Plasmodium falciparum cytoplasmic tyrosine tRNA synthetase ( Pf TyrRS) is an attractive drug target that is susceptible to reaction-hijacking by AMP-mimicking nucleoside sulfamates. We previously identified an exemplar pyrazolopyrimidine ribose sulfamate, ML901, as a potent reaction hijacking inhibitor of Pf TyrRS. Here we examined the stage specificity of action of ML901, showing very good activity against the schizont stage, but lower trophozoite stage activity. We explored a series of ML901 analogues and identified ML471, which exhibits improved potency against trophozoites and enhanced selectivity against a human cell line. Additionally, it has no inhibitory activity against human ubiquitin-activating enzyme (UAE) in vitro . ML471 exhibits low nanomolar activity against asexual blood stage P . falciparum and potent activity against liver stage parasites, gametocytes and transmissible gametes. It is fast-acting and exhibits a long in vivo half-life. ML471 is well-tolerated and shows single dose oral efficacy in the SCID mouse model of P . falciparum malaria. We confirm that ML471 is a reaction hijacking inhibitor that is converted into a tight binding Tyr-ML471 conjugate by the Pf TyrRS enzyme. A crystal structure of the Pf TyrRS/ Tyr-ML471 complex offers insights into improved potency, while molecular docking into UAE provides a rationale for improved selectivity.

Abstract Induction of fetal hemoglobin (HbF) has been shown to be a viable therapeutic approach to treating sickle cell disease and potentially other β-hemoglobinopathies. To identify targets and target-modulating small molecules that enhance HbF expression, we engineered a human umbilical-derived erythroid progenitor reporter cell line (HUDEP2_HBG1_HiBiT) by genetically tagging a HiBiT peptide to the carboxyl (C)-terminus of the endogenous HBG1 gene locus, which codes for γ-globin protein, a component of HbF. Employing this reporter cell line, we performed a chemogenomic screen of approximately 5000 compounds annotated with known targets or mechanisms that have achieved clinical stage or approval by the US Food and Drug Administration (FDA). Among them, 10 compounds were confirmed for their ability to induce HbF in the HUDEP2 cell line. These include several known HbF inducers, such as pomalidomide, lenalidomide, decitabine, idoxuridine, and azacytidine, which validate the translational nature of this screening platform. We identified avadomide, autophinib, triciribine, and R574 as novel HbF inducers from these screens. We orthogonally confirmed HbF induction activities of the top hits in both parental HUDEP2 cells as well as in human primary CD34+ hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs). Further, we demonstrated that pomalidomide and avadomide, but not idoxuridine, induced HbF expression through downregulation of several transcriptional repressors such as BCL11A, ZBTB7A, and IKZF1. These studies demonstrate a robust phenotypic screening workflow that can be applied to large-scale small molecule profiling campaigns for the discovery of targets and pathways, as well as novel therapeutics of sickle cell disease and other β-hemoglobinopathies. Key Points Established a robust HbF luciferase reporter cell line to monitor endogenous γ-globin expression for a chemogenomic screen of compounds for the treatment of sickle cell disease. Lead hit compounds were mechanistically confirmed for their ability to decrease expression of several transcriptional repressors such as BCL11A, ZBTB7A, and IKZF1. Visual Abstract

Abstract The Plasmodium falciparum cytoplasmic tyrosine tRNA synthetase ( Pf TyrRS) is an attractive drug target that is susceptible to reaction-hijacking by AMP-mimicking nucleoside sulfamates. We previously identified an exemplar pyrazolopyrimidine ribose sulfamate, ML901, as a potent pro-inhibitor of Pf TyrRS. Here we examined the stage specificity of action of ML901, showing very good activity against the schizont stage, but lower trophozoite stage activity. We explored a series of ML901 analogues and identified ML471, which exhibits improved potency against trophozoites and enhanced selectivity against a human cell line. Additionally, it has no inhibitory activity against human ubiquitin-activating enzyme (UAE) in vitro . ML471 exhibits low nanomolar activity against asexual blood stage P. falciparum and potent activity against liver stage parasites, gametocytes and transmissible gametes. It is fast-acting and exhibits a long in vivo half-life. ML471 is well-tolerated and shows single dose oral efficacy in the SCID mouse model of P. falciparum malaria. We confirm that ML471 is a pro-inhibitor that is converted into a tight binding Tyr-ML471 conjugate by the Pf TyrRS enzyme. A crystal structure of the Pf TyrRS/ Tyr-ML471 complex offers insights into improved potency, while molecular docking into UAE provides a rationale for improved selectivity.

Induction of fetal hemoglobin (HbF) has been shown to be a viable therapeutic approach to treating sickle cell disease and potentially other β-hemoglobinopathies. To identify targets and target-modulating small molecules that enhance HbF expression, we engineered a human umbilical-derived erythroid progenitor reporter cell line (HUDEP2_HBG1_HiBiT) by genetically tagging a HiBiT peptide to the carboxyl (C)-terminus of the endogenous HBG1 gene locus, which codes for γ-globin protein, a component of HbF. Employing this reporter cell line, we performed a chemogenomic screen of approximately 5000 compounds annotated with known targets or mechanisms that have achieved clinical stage or approval by the US Food and Drug Administration (FDA). Among them, 10 compounds were confirmed for their ability to induce HbF in the HUDEP2 cell line. These include several known HbF inducers, such as pomalidomide, lenalidomide, decitabine, idoxuridine, and azacytidine, which validate the translational nature of this screening platform. We identified avadomide, autophinib, triciribine, and R574 as novel HbF inducers from these screens. We orthogonally confirmed HbF induction activities of the top hits in both parental HUDEP2 cells as well as in human primary CD34+ hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs). Further, we demonstrated that pomalidomide and avadomide, but not idoxuridine, induced HbF expression through downregulation of several transcriptional repressors such as BCL11A, ZBTB7A, and IKZF1. These studies demonstrate a robust phenotypic screening workflow that can be applied to large-scale small molecule profiling campaigns for the discovery of targets and pathways, as well as novel therapeutics for sickle cell disease and other β-hemoglobinopathies.