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 Epigenetic reprogramming requires extensive remodeling of chromatin landscapes to silence cell-type specific gene expression programs. ATP-dependent chromatin-remodeling complexes are important regulators of chromatin structure and gene expression; however, the role of Bromodomain-containing protein 9 (BRD9) and the associated ncBAF (non-canonical BRG1-associated factors) complex in reprogramming remains unknown. Here, we show that genetic suppression of BRD9 as well as ncBAF complex subunit GLTSCR1, but not the closely related BRD7, increase the efficiency by which induced pluripotent stem cells (iPSCs) can be generated from human somatic cells. Chemical inhibition and acute degradation of BRD9 phenocopied this effect. Interestingly, we find that BRD9 is dispensable for establishment and maintenance of human pluripotency but required for mesendodermal lineage commitment during differentiation. Mechanistically, BRD9 inhibition downregulates somatic cell type-specific genes and decreases chromatin accessibility at somatic enhancers. Collectively, these results establish BRD9 as an important safeguarding factor for somatic cell identity whose inhibition lowers chromatin-based barriers to reprogramming.

Abstract Oncofetal transcription factor SALL4 is essential for cancer cell survival. 1-5 Recently, several groups reported that immunomodulatory imide drugs (IMiDs) could degrade SALL4 in a proteasome-dependent manner. 6,7 Intriguingly, we observed that IMiDs had no effect on SALL4-positive cancer cells. Further studies demonstrated that IMiDs could only degrade SALL4A, one of the SALL4 isoforms. This finding raises the possibility that SALL4B, the isoform not affected by IMiDs, may be essential for SALL4-mediated cancer cell survival. SALL4B knockdown led to an increase in apoptosis and inhibition of cancer cell growth. SALL4B gain-of-function alone led to liver tumor formation in mice. Our observation that protein degraders can possess isoform-specific effects exemplifies the importance of delineating drug action and oncogenesis at the isoform level to develop more effective cancer therapeutics.

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.