Immunotargeting of tumor-specific antigens is a powerful therapeutic strategy. Immunotherapies directed at MHC-I complexes have expanded the scope of antigens and enabled the direct targeting of intracellular oncoproteins at the cell surface. We asked whether covalent drugs that alkylate mutated residues on oncoproteins could act as haptens to generate unique MHC-I-restricted neoantigens. Here, we report that KRAS G12C mutant cells treated with the covalent inhibitor ARS1620 present ARS1620-modified peptides in MHC-I complexes. Using ARS1620-specific antibodies identified by phage display, we show that these haptenated MHC-I complexes can serve as tumor-specific neoantigens and that a bispecific T cell engager construct based on a hapten-specific antibody elicits a cytotoxic T cell response against KRAS G12C cells, including those resistant to direct KRAS G12C inhibition. With multiple K-RAS G12C inhibitors in clinical use or undergoing clinical trials, our results present a strategy to enhance their efficacy and overcome the rapidly arising tumor resistance.

Abstract SARS-CoV-2 is the causative agent behind the COVID-19 pandemic, and responsible for over 170 million infections, and over 3.7 million deaths worldwide. Efforts to test, treat and vaccinate against this pathogen all benefit from an improved understanding of the basic biology of SARS-CoV-2. Both viral and cellular proteases play a crucial role in SARS-CoV-2 replication, and inhibitors targeting proteases have already shown success at inhibiting SARS-CoV-2 in cell culture models. Here, we study proteolytic cleavage of viral and cellular proteins in two cell line models of SARS-CoV-2 replication using mass spectrometry to identify protein neo-N-termini generated through protease activity. We identify previously unknown cleavage sites in multiple viral proteins, including major antigenic proteins S and N, which are the main targets for vaccine and antibody testing efforts. We discovered significant increases in cellular cleavage events consistent with cleavage by SARS-CoV-2 main protease, and identify 14 potential high-confidence substrates of the main and papain-like proteases, validating a subset with in vitro assays. We showed that siRNA depletion of these cellular proteins inhibits SARS-CoV-2 replication, and that drugs targeting two of these proteins: the tyrosine kinase SRC and Ser/Thr kinase MYLK, showed a dose-dependent reduction in SARS-CoV-2 titres. Overall, our study provides a powerful resource to understand proteolysis in the context of viral infection, and to inform the development of targeted strategies to inhibit SARS-CoV-2 and treat COVID-19.

The host cell serine protease TMPRSS2 is an attractive therapeutic target for COVID-19 drug discovery. This protease activates the Spike protein of Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 (SARS-CoV-2) and of other coronaviruses and is essential for viral spread in the lung. Utilizing rational structure-based drug design (SBDD) coupled to substrate specificity screening of TMPRSS2, we have discovered a novel class of small molecule ketobenzothiazole TMPRSS2 inhibitors with significantly improved activity over existing irreversible inhibitors Camostat and Nafamostat. Lead compound MM3122 ( 4 ) has an IC 50 of 340 pM against recombinant full-length TMPRSS2 protein, an EC 50 of 430 pM in blocking host cell entry into Calu-3 human lung epithelial cells of a newly developed VSV SARS-CoV-2 chimeric virus, and an EC 50 of 74 nM in inhibiting cytopathic effects induced by SARS-CoV-2 virus in Calu-3 cells. Further, MM3122 blocks Middle East Respiratory Syndrome Coronavirus (MERS-CoV) cell entry with an EC 50 of 870 pM. MM3122 has excellent metabolic stability, safety, and pharmacokinetics in mice with a half-life of 8.6 hours in plasma and 7.5 h in lung tissue, making it suitable for in vivo efficacy evaluation and a promising drug candidate for COVID-19 treatment.

Abstract MRP4 is unique among the C family of ATP-binding cassette transporters for its role in translocating prostanoids, an important group of signaling molecules derived from unsaturated fatty acids. Using a reconstituted system, we report that a pair of prostaglandins (PGs) and the sulfonated-sterol DHEA-S preferentially enhance the ATPase activity of MRP4 over other previously proposed physiological substrates such as cyclic nucleotides or leukotrienes. We determined the cryo-EM structures of nanodisc embedded bovine MRP4 in (i) a nucleotide- and substrate-free state, (ii) in complex with PGE 1 , (iii) PGE 2 , and (iv) DHEA-S, and (v) a catalytically dead mutant E1202Q bound to ATP-Mg 2+ . The substrate-bound structures suggest unique features of the MRP4 binding site that distinguish its specificity for prostanoids from that of the related leukotriene transporter MRP1. The ATP-bound structure is in an outward-occluded conformation, revealing a novel state in the proposed alternate-access mechanism of MRP transport. Our study provides insights into the endogenous function of this versatile efflux transporter.

Abstract Inhibition of the proteolytic processing of hepatocyte growth factor (HGF) and macrophage stimulating protein (MSP) is an attractive approach for the drug discovery of novel anticancer therapeutics which prevent tumor progression and metastasis. Here, we utilized an improved and expanded version of positional scanning of substrate combinatorial libraries (PS‐SCL) technique called HyCoSuL to optimize peptidomimetic inhibitors of the HGF/MSP activating serine proteases, HGFA, matriptase, and hepsin. These inhibitors have an electrophilic ketone serine trapping warhead and thus form a reversible covalent bond to the protease. We demonstrate that by varying the P2, P3, and P4 positions of the inhibitor with unnatural amino acids based on the protease substrate preferences learned from HyCoSuL, we can predictably modify the potency and selectivity of the inhibitor. We identified the tetrapeptide JH‐1144 ( 8 ) as a single digit nM inhibitor of HGFA, matriptase and hepsin with excellent selectivity over Factor Xa and thrombin. These unnatural peptides have increased metabolic stability relative to natural peptides of similar structure. The tripeptide inhibitor PK‐1‐89 ( 2 ) has excellent pharmacokinetics in mice with good compound exposure out to 24 h. In addition, we obtained an X‐ray structure of the inhibitor MM1132 ( 15 ) bound to matriptase revealing an interesting binding conformation useful for future inhibitor design.

Abstract Accurate predictions of T-cell epitopes would be useful for designing vaccines, immunotherapies for cancer and autoimmune diseases, and improved protein therapies. The humoral immune response involves uptake of antigens by antigen presenting cells (APCs), APC processing and presentation of peptides on MHC class II (pMHCII), and T-cell receptor (TCR) recognition of pMHCII complexes. Most in silico methods predict only peptide-MHCII binding, resulting in significant over-prediction of CD4 T-cell epitopes. We present a method, ITCell, for prediction of T-cell epitopes within an input protein antigen sequence for given MHCII and TCR sequences. The method integrates information about three stages of the immune response pathway: antigen cleavage, MHCII presentation, and TCR recognition. First, antigen cleavage sites are predicted based on the cleavage profiles of cathepsins S, B, and H. Second, for each 12-mer peptide in the antigen sequence we predict whether it will bind to a given MHCII, based on the scores of modeled peptide-MHCII complexes. Third, we predict whether or not any of the top scoring peptide-MHCII complexes can bind to a given TCR, based on the scores of modeled ternary peptide-MHCII-TCR complexes and the distribution of predicted cleavage sites. Our benchmarks consist of epitope predictions generated by this algorithm, checked against 20 peptide-MHCII-TCR crystal structures, as well as epitope predictions for four peptide-MHCII-TCR complexes with known epitopes and TCR sequences but without crystal structures. ITCell successfully identified the correct epitopes as one of the 20 top scoring peptides for 22 of 24 benchmark cases. To validate the method using a clinically relevant application, we utilized five factor VIII-specific TCR sequences from hemophilia A subjects who developed an immune response to factor VIII replacement therapy. The known HLA-DR1-restricted factor VIII epitope was among the six top-scoring factor VIII peptides predicted by ITCall to bind HLA-DR1 and all five TCRs. Our integrative approach is more accurate than current single-stage epitope prediction algorithms applied to the same benchmarks. It is freely available as a web server ( http://salilab.org/itcell ). Author summary Knowledge of T-cell epitopes is useful for designing vaccines, improving cancer immunotherapy, studying autoimmune diseases, and engineering protein replacement therapies. Unfortunately, experimental methods for identification of T-cell epitopes are slow, expensive, and not always applicable. Thus, a more accurate computational method for prediction of T-cell epitopes needs to be developed. While the T-cell response to extracellular antigens proceeds through multiple stages, current computational methods rely only on the prediction of peptide binding affinity to an MHCII receptor on antigen presenting cells, resulting in a relatively high number of false-positive predictions of T-cell epitopes within protein antigens. We developed an integrative approach to predict T-cell epitopes that computationally combines information from three stages of the humoral immune response pathway: antigen cleavage, MHCII presentation, and TCR recognition, resulting in an increased accuracy of epitope predictions. This method was applied to predict epitopes within blood coagulation factor VIII (FVIII) that were recognized by TCRs from hemophilia A subjects who developed an anti-FVIII antibody response. The correct epitope was predicted after modeling all possible 12-mer FVIII peptides bound in ternary complexes with the relevant MHCII (HLA-DR1) and each of five experimentally determined FVIII-specific TCR sequences.

To fight the SARS-CoV-2 pandemic, much effort has been directed toward drug repurposing, testing investigational and approved drugs against several viral or human proteins in vitro . Here we investigate the impact of colloidal aggregation, a common artifact in early drug discovery, in these repurposing screens. We selected 56 drugs reported to be active in biochemical assays and tested them for aggregation by both dynamic light scattering and by enzyme counter screening with and without detergent; seventeen of these drugs formed colloids at concentrations similar to their literature reported IC 50 s. To investigate the occurrence of colloidal aggregators more generally in repurposing libraries, we further selected 15 drugs that had physical properties resembling known aggregators from a common repurposing library, and found that 6 of these aggregated at micromolar concentrations. An attraction of repurposing is that drugs active on one target are considered de-risked on another. This study suggests not only that many of the drugs repurposed for SARS-CoV-2 in biochemical assays are artifacts, but that, more generally, when screened at relevant concentrations, drugs can act artifactually via colloidal aggregation. Understanding the role of aggregation, and detecting its effects rapidly, will allow the community to focus on those drugs and leads that genuinely have potential for treating COVID-19.

Microtubule-associated protein tau (MAPT/tau) accumulates in a family of neurodegenerative diseases, including Alzheimer's disease (AD). In disease, tau is aberrantly modified by post-translational modifications (PTMs), including hyper-phosphorylation. However, it is often unclear which of these PTMs contribute to tau's accumulation or what mechanisms might be involved. To explore these questions, we focused on a cleaved proteoform of tau (tauC3), which selectively accumulates in AD and was recently shown to be degraded by its direct binding to the E3 ubiquitin ligase, CHIP. Here, we find that phosphorylation of tauC3 at a single residue, pS416, is sufficient to block its interaction with CHIP. A co-crystal structure of CHIP bound to the C-terminus of tauC3 revealed the mechanism of this clash and allowed design of a mutation (CHIPD134A) that partially restores binding and turnover of pS416 tauC3. We find that pS416 is produced by the known AD-associated kinase, MARK2/Par-1b, providing a potential link to disease. In further support of this idea, an antibody against pS416 co-localizes with tauC3 in degenerative neurons within the hippocampus of AD patients. Together, these studies suggest a discrete molecular mechanism for how phosphorylation at a specific site contributes to accumulation of an important tau proteoform.

Abstract Antiviral therapeutics to treat SARS-CoV-2 are much desired for the on-going pandemic. A well-precedented viral enzyme is the main protease (MPro), which is now targeted by an approved drug and by several investigational drugs. With the inevitable liabilities of these new drugs, and facing viral resistance, there remains a call for new chemical scaffolds against MPro. We virtually docked 1.2 billion non-covalent and a new library of 6.5 million electrophilic molecules against the enzyme structure. From these, 29 non-covalent and 11 covalent inhibitors were identified in 37 series, the most potent having an IC 50 of 29 μM and 20 μM, respectively. Several series were optimized, resulting in inhibitors active in the low micromolar range. Subsequent crystallography confirmed the docking predicted binding modes and may template further optimization. Together, these compounds reveal new chemotypes to aid in further discovery of MPro inhibitors for SARS-CoV-2 and other future coronaviruses.

This study created a protein-protein interaction map of all the proteins present within the SARS-CoV-2 virus and humans. Understanding how viral proteins interact with human proteins gives researchers targets for the repurposing of drugs to treat COVID-19