Heterobifunctional proteolysis-targeting chimeric compounds leverage the activity of E3 ligases to induce degradation of target oncoproteins and exhibit potent preclinical antitumor activity. To dissect the mechanisms regulating tumor cell sensitivity to different classes of pharmacological "degraders" of oncoproteins, we performed genome-scale CRISPR-Cas9-based gene editing studies. We observed that myeloma cell resistance to degraders of different targets (BET bromodomain proteins, CDK9) and operating through CRBN (degronimids) or VHL is primarily mediated by prevention of, rather than adaptation to, breakdown of the target oncoprotein; and this involves loss of function of the cognate E3 ligase or interactors/regulators of the respective cullin-RING ligase (CRL) complex. The substantial gene-level differences for resistance mechanisms to CRBN- versus VHL-based degraders explains mechanistically the lack of cross-resistance with sequential administration of these two degrader classes. Development of degraders leveraging more diverse E3 ligases/CRLs may facilitate sequential/alternating versus combined uses of these agents toward potentially delaying or preventing resistance.

The introduction of vaccines has inspired new hope in the battle against SARS-CoV-2. However, the emergence of viral variants, in the absence of potent antivirals, has left the world struggling with the uncertain nature of this disease. Antibodies currently represent the strongest correlate of immunity against COVID-19, thus we profiled the earliest humoral signatures in a large cohort of severe and asymptomatic COVID-19 individuals. While a SARS-CoV-2-specific immune response evolved rapidly in survivors of COVID-19, non-survivors exhibited blunted and delayed humoral immune evolution, particularly with respect to S2-specific antibody evolution. Given the conservation of S2 across β-coronaviruses, we found the early development of SARS-CoV-2-specific immunity occurred in tandem with pre-existing common β-coronavirus OC43 humoral immunity in survivors, which was selectively also expanded in individuals that develop paucisymptomatic infection. These data point to the importance of cross-coronavirus immunity as a correlate of protection against COVID-19.

ABSTRACT Proteolysis Targeting Chimeras (PROTACs), a class of heterobifunctional molecules that recruit target proteins to E3 ligases, have gained traction for targeted protein degradation. However, pomalidomide, a widely used E3 ligase recruiter in PROTACs, can independently degrade other targets, such as zinc-finger (ZF) proteins, that hold key functions in normal development and disease progression. This off-target degradation of pomalidomide-based PROTACs raises concerns about their therapeutic applicability and long-term side effects. Therefore, there is a crucial need to develop rules for PROTAC design that minimize off-target degradation. In this study, we developed a high-throughput platform that interrogates the off-target degradation of ZF domains and discovered, using this platform, that PROTACs with the current design paradigm induce degradation of several ZF proteins. To identify new rules for PROTAC design, we generated a library of pomalidomide analogs that allowed systematic exploration of the impact of positional isomerism (e.g., C4 and C5 positions of the phthalimide ring), hydrogen bonding, steric and hydrophobic effects on propensities for ZF protein degradation. We found that modifications of appropriate size on the C5 position reduced off-target ZF degradation. We validated these results using immunoblotting, target engagement, and global mass spectrometric studies. We applied our newfound design principles on a previously developed ALK oncoprotein-targeting PROTAC and generated PROTACs with enhanced potency and minimal off-target degradation. We envision the reported off-target profiling platform and pomalidomide analogs will find utility in design of specific PROTACs.

Summary HECT ubiquitin ligases play essential roles in metazoan development and physiology. The HECT ligase HUWE1 is central to the cellular stress response by mediating degradation of key death or survival factors including Mcl1, p53, DDIT4, and Myc. As a step toward understanding regulation of HUWE1 engagement with its diverse substrates, we present here the cryo-EM structure of HUWE1, offering a first complete molecular picture of a HECT ubiquitin ligase. The ~4400 amino acid residue polypeptide forms an alpha solenoid-shaped assembly with a central pore decorated with protein interaction modules. This modularity enables HUWE1 to target a wide range of substrates for destruction. The locations of human mutations associated with severe neurodevelopmental disorders link functions of this essential enzyme with its three-dimensional organization.

Conditional protein degradation tags (degrons) are usually >100 amino acids long or are triggered by small molecules with substantial off-target effects, thwarting their use as specific modulators of endogenous protein levels. We developed a phage-assisted continuous evolution platform for molecular glue complexes (MG-PACE) and evolved a 36-amino acid zinc finger (ZF) degron (SD40) that binds the ubiquitin ligase substrate receptor cereblon in complex with PT-179, an orthogonal thalidomide derivative. Endogenous proteins tagged in-frame with SD40 using prime editing are degraded by otherwise inert PT-179. Cryo-electron microscopy structures of SD40 in complex with ligand-bound cereblon revealed mechanistic insights into the molecular basis of SD40's activity and specificity. Our efforts establish a system for continuous evolution of molecular glue complexes and provide ZF tags that overcome shortcomings associated with existing degrons.

Abstract Viral genetic diversity presents significant challenges in developing antivirals with broad-spectrum activity and high barriers to resistance. Here we report development of proteolysis targeting chimeras (PROTACs) targeting the dengue virus envelope (E) protein through coupling of known E fusion inhibitors to ligands of the CRL4 CRBN E3 ubiquitin ligase. The resulting small molecules block viral entry through inhibition of E-mediated membrane fusion and interfere with viral particle production by depleting intracellular E in infected Huh 7.5 cells. This activity is retained in the presence of point mutations previously shown to confer partial resistance to the parental inhibitors due to decreased inhibitor-binding. The E PROTACs also exhibit broadened spectrum of activity compared to the parental E inhibitors against a panel of mosquito-borne flaviviruses. These findings encourage further exploration of targeted protein degradation as a differentiated and potentially advantageous modality for development of broad-spectrum direct-acting antivirals.

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 Targeted protein degradation has been widely adopted as a new approach to eliminate both established and previously recalcitrant therapeutic targets. Here, it is reported that the development of small molecule degraders of the envelope (E) protein of dengue virus. Two classes of bivalent E‐degraders are developed by linking two previously reported E‐binding small molecules, GNF‐2, and CVM‐2‐12‐2, to a glutarimide‐based recruiter of the CRL4 CRBN ligase to effect proteosome‐mediated degradation of the E protein. ZXH‐2‐107 (based on GNF‐2) is an E‐degrader with ABL inhibitory activity while ZXH‐8‐004 (based on CVM‐2‐12‐2) is a selective and potent E‐degrader. These two compounds provide proof of concept that difficult‐to‐drug targets such as a viral envelope protein can be effectively eliminated using a bivalent degrader and provide starting points for the future development of a new class of direct‐acting antiviral drugs.

The interaction between menin and histone-lysine N-methyltransferase 2A (KMT2A) is a critical dependency for KMT2A- or nucleophosmin 1 (NPM1)-altered leukemias and an emerging opportunity for therapeutic development. JNJ-75276617 is a novel, orally bioavailable, potent, and selective protein-protein interaction inhibitor of the binding between menin and KMT2A. In KMT2A-rearranged (KMT2A-r) and NPM1-mutant (NPM1c) AML cells, JNJ-75276617 inhibited the association of the menin-KMT2A complex with chromatin at target gene promoters, resulting in reduced expression of several menin-KMT2A target genes, including MEIS1 and FLT3. JNJ-75276617 displayed potent anti-proliferative activity across several AML and ALL cell lines and patient samples harboring KMT2A- or NPM1-alterations in vitro. In xenograft models of AML and ALL, JNJ-75276617 reduced leukemic burden and provided a significant dose-dependent survival benefit accompanied by expression changes of menin-KMT2A target genes. JNJ-75276617 demonstrated synergistic effects with gilteritinib in vitro in AML cells harboring KMT2A-r. JNJ-75276617 further exhibited synergistic effects with venetoclax and azacitidine in AML cells bearing KMT2A-r in vitro, and significantly increased survival in mice. Interestingly, JNJ-75276617 showed potent anti-proliferative activity in cell lines engineered with recently discovered mutations (MEN1M327I or MEN1T349M) that developed in patients refractory to the menin-KMT2A inhibitor revumenib. A co-crystal structure of menin in complex with JNJ-75276617 indicates a unique binding mode distinct from other menin-KMT2A inhibitors, including revumenib. JNJ-75276617 is being clinically investigated for acute leukemias harboring KMT2A or NPM1 alterations, as a monotherapy for relapsed/refractory (R/R) acute leukemia (NCT04811560), or in combination with AML-directed therapies (NCT05453903).

Abstract Targeted protein degradation (TPD) is a new pharmacology based on small-molecule degraders that induce proximity between a protein of interest (POI) and an E3 ubiquitin ligase. Of the approximately 600 E3s encoded in the human genome, only around two percent can be co-opted with degraders. This underrepresentation is caused by a paucity of discovery approaches to identify degraders for defined E3s. This hampers a rational expansion of the druggable proteome, and stymies critical advancements in the field, such as tissue- and cell-specific degradation. Here, we focus on dynamic NEDD8 conjugation, a posttranslational, regulatory circuit that controls the activity of 250 cullin RING E3 ligases (CRLs). Leveraging this regulatory layer enabled us to develop a scalable assay to identify compounds that alter the interactome of an E3 of interest by tracing their abundance after pharmacologically induced auto-degradation. Initial validation studies are performed for CRBN and VHL, but proteomics studies indicate broad applicability for many CRLs. Among amenable ligases, we select CRL DCAF15 for a proof-of-concept screen, leading to the identification of a novel DCAF15-dependent molecular glue degrader inducing the degradation of RBM23 and RBM39. Together, this strategy empowers the scalable identification of degraders specific to a ligase of interest.