Abstract Molecular glues are proximity-inducing small molecules that have emerged as an attractive therapeutic approach. However, developing molecular glues remains challenging, requiring innovative mechanistic strategies to stabilize neoprotein interfaces and expedite discovery. Here we unveil a trans -labeling covalent molecular glue mechanism, termed ‘template-assisted covalent modification’. We identified a new series of BRD4 molecular glue degraders that recruit CUL4 DCAF16 ligase to the second bromodomain of BRD4 (BRD4 BD2 ). Through comprehensive biochemical, structural and mutagenesis analyses, we elucidated how pre-existing structural complementarity between DCAF16 and BRD4 BD2 serves as a template to optimally orient the degrader for covalent modification of DCAF16 Cys58 . This process stabilizes the formation of BRD4–degrader–DCAF16 ternary complex and facilitates BRD4 degradation. Supporting generalizability, we found that a subset of degraders also induces GAK–BRD4 BD2 interaction through trans -labeling of GAK. Together, our work establishes ‘template-assisted covalent modification’ as a mechanism for covalent molecular glues, which opens a new path to proximity-driven pharmacology.

Abstract Amplification and/or overexpression of the PAK1 gene is common in several malignancies, and inhibition of PAK1 by small molecules has been shown to impede the growth and survival of such cells. Potent inhibitors of PAK1 and its close relatives, PAK2, and PAK3, have been described, but clinical development has been hindered by recent findings that PAK2 function is required for normal cardiovascular function in adult mice. A unique allosteric PAK1-selective inhibitor, NVS-PAK1-1, provides a potential path forward, but has relatively modest potency in cells. Here, we report the development of BJG-05-039, a PAK1-seletive degrader consisting of the allosteric PAK1 inhibitor NVS-PAK1-1 conjugated to lenalidomide, a recruiter of the E3 ubiquitin ligase substrate adaptor Cereblon (CRBN). BJG-05-039 induced degradation of PAK1, but not PAK2, and displayed enhanced anti-proliferative effects relative to its parent compound in PAK1-dependent, but not PAK2-dependent, cell lines. Notably, BJG-05-039 promoted sustained PAK1 degradation and inhibition of downstream signaling effects at ten-fold lower dosage than NVS-PAK1-1. Our findings suggest that selective PAK1 degradation may confer more potent pharmacological effects compared with catalytic inhibition and highlight the potential advantages of PAK1-targeted degradation.

Small molecules that can induce protein degradation by inducing proximity between a desired target and an E3 ligase have the potential to greatly expand the number of proteins that can be manipulated pharmacologically. Current strategies for targeted protein degradation are mostly limited in their target scope to proteins with preexisting ligands. Alternate modalities such as molecular glues, as exemplified by the glutarimide class of ligands for the CUL4CRBN ligase, have been mostly discovered serendipitously. We recently reported a trans-labelling covalent glue mechanism which we named Template-assisted covalent modification, where an electrophile decorated small molecule binder of BRD4 was effectively delivered to a cysteine residue on an E3 ligase DCAF16 as a consequence of a BRD4-DCAF16 protein-protein interaction. Herein, we report our medicinal chemistry efforts to evaluate how various electrophilic modifications to the BRD4 binder, JQ1, affect DCAF16 trans-labeling and subsequent BRD4 degradation efficiency. We discovered a decent correlation between the ability of the electrophilic small molecule to induce ternary complex formation between BRD4 and DCAF16 with its ability to induce BRD4 degradation. Moreover, we show that a more solvent-exposed warhead presentation is optimal for DCAF16 recruitment and subsequent BRD4 degradation. Unlike the sensitivity of CUL4CRBN glue degraders to chemical modifications, the diversity of covalent attachments in this class of BRD4 glue degraders suggests a high tolerance and tunability for the BRD4-DCAF16 interaction. This offers a potential new avenue for a rational design of covalent glue degraders by introducing covalent warheads to known binders.

Abstract Small molecules that induce protein-protein interactions to exert proximity-driven pharmacology such as targeted protein degradation are a powerful class of therapeutics 1-3 . Molecular glues are of particular interest given their favorable size and chemical properties and represent the only clinically approved degrader drugs 4-6 . The discovery and development of molecular glues for novel targets, however, remains challenging. Covalent strategies could in principle facilitate molecular glue discovery by stabilizing the neo-protein interfaces. Here, we present structural and mechanistic studies that define a trans -labeling covalent molecular glue mechanism, which we term “template-assisted covalent modification”. We found that a novel series of BRD4 molecular glue degraders act by recruiting the CUL4 DCAF16 ligase to the second bromodomain of BRD4 (BRD4 BD2 ). BRD4 BD2 , in complex with DCAF16, serves as a structural template to facilitate covalent modification of DCAF16, which stabilizes the BRD4-degrader-DCAF16 ternary complex formation and facilitates BRD4 degradation. A 2.2 Å cryo-electron microscopy structure of the ternary complex demonstrates that DCAF16 and BRD4 BD2 have pre-existing structural complementarity which optimally orients the reactive moiety of the degrader for DCAF16 Cys58 covalent modification. Systematic mutagenesis of both DCAF16 and BRD4 BD2 revealed that the loop conformation around BRD4 His437 , rather than specific side chains, is critical for stable interaction with DCAF16 and BD2 selectivity. Together our work establishes “template-assisted covalent modification” as a mechanism for covalent molecular glues, which opens a new path to proximity driven pharmacology.