Modulation sélective de la Protéine Kinase CK2 : identification, synthèse et caractérisation d’inhibiteurs ne ciblant pas le site ATP

Selective modulation of the Protein Kinase CK2 : discovery, syntheses and characterization of non-ATP site inhibitors of CK2

• Auteur / Autrice : Benoit Bestgen
• Direction : Thierry Lomberget, Marc Le Borgne, Rolf W. Hartmann
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie thérapeutique
• Date : Soutenance le 27/11/2015
• Etablissement(s) : Lyon 1 en cotutelle avec Universität des Saarlandes. Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät III (Saarbrücken)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Interdisciplinaire Sciences-Santé (Villeurbanne ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de biologie et chimie des protéines (Lyon ; 2016-....)
• Jury : Président / Présidente : Ahcène Boumendjel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Lomberget, Marc Le Borgne, Rolf W. Hartmann, Matthias Engel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Joachim José, Fabrice Anizon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biologie

Protéines kinases

Chimie pharmaceutique

Cancérologie

Mots clés libres

Oncologie

Chimie Médicinale

Biologie

Protéine Kinases

Onkologie

Medizinische Chemie

Biologie

Protein Kinase

Oncology

Medicinal chemistry

Biology

Protein Kinase

Résumé

La Protéine Kinase CK2 est une enzyme tétramérique composé d'un dimère de sous-unité régulatrice (β) et de deux sous-unités catalytiques, CK2α et/ou CK2α'. La sous-unité catalytique de CK2 est constitutivement active alors que la sous-unité régulatrice régule seulement la sélection des substrats phosphorylés par CK2. CK2 est une Ser/Thr protéine kinase ubiquitaire impliquée dans le contrôle de nombreuses voies de signalisations. La dérégulation de CK2 promeut le développement des cancers et il a été démontré que CK2 est une cible pertinente dans le traitement des cancers. Notre objectif était de cibler la protéine kinase CK2 de manière indépendante du site actif. Deux séries de composés ont été étudiés : Basé sur un premier hit faiblement actif (CI50 = 30 μM) mais inhibant CK2 de manière non- ATP compétitive, des dérivés comportant le noyau 2-aminothiazole ont été synthétisés et un composé actif (CI50 = 0,6 μM) et efficace in cellulo a été obtenu. Grace à des expériences sur des mutants ponctuels de CK2, des expériences de dichroïsme circulaire, de la STD-RMN et de la modélisation moléculaire, le site de fixation de nos inhibiteurs a été précisément défini à l'interface de la boucle riche en glycine et de l'hélice-αC. Des inhibiteurs de l'interaction α/β ont été étudiés à partir d'un peptide cyclique jusqu'au développement de petites molécules via un screening virtuel. Des études de relations structure-activité ont été réalisé sur la série de composés synthétisées et des tests cellulaires ont été mis en place afin d'évaluer ces composés. Les deux classes de molécules décrites sont des outils intéressants pour comprendre la régulation physiologique de la protéine kinase CK2 et des opportunités prometteuses dans le traitement de certains cancers

Das Protein Kinase CK2 ist ein tetrameres Enzym, das aus einem Dimer von regulatorischen Untereinheiten (β) und zwei katalytischen Untereinheiten (CK2α und/oder CK2α’) besteht. Die katalytische Untereinheit der CK2 ist konstitutiv aktiv, während die regulatorische Untereinheit die Auswahl einiger der durch CK2 phosphorylierten Substrate steuert. CK2 ist eine ubiquitäre Proteinkinase, die an der Kontrolle zahlreicher Signalwege beteiligt ist. Eine Fehlregulation der CK2 fördert die Tumorenstehung. Es konnte gezeigt werden, dass CK2 eine vielversprechende Zielstruktur für die Entwicklung neuer Therapeutika ist. Unser Ziel war es, neue Hemmstoffe der Proteinkinase CK2 zu entwickeln, die an anderen Stellen als dem aktiven Zentrum angreifen. Zwei Serien von Verbindungen sind untersucht worden: Basierend auf einem ersten schwach aktiven “Hit” (IC50 = 30 μM), der einen nicht-ATPkompetitiven Wirkmechanismus aufwies, wurden einige neue 2-Aminothiazol-Derivate synthetisiert. Dadurch wurden allosterische Inhibitoren mit einer deutlich gesteigerte Potenz (IC50 = 0,6 μM) und einer beachtlichen Zellaktivität erhalten. Mittels eines CK2- Punktmutanten-Screenings, Zirkulardichroismus-Spektrometrie, STD-NMR und molekularer Docking-Simulationen konnte die Bindestelle unserer Hemmstoffe außerhalb der ATPBindetasche, zwischen der Glycin-reichen Schleife und der αC-Helix, lokalisiert werden. Desweiteren wurden niedermolekulare Inhibitoren der α/β-Interaktion entwickelt, ausgehend von einem zyklischen Peptid sowie von Hitverbindungen aus einem virtuellen Screening. Neue Verbindungen wurden synthetisiert und die Struktur- Wirkungsbeziehungen analysiert; zusätzlich wurde ein Zellassay zur Überprüfung des postulierten Wirkmechanismus etabliert. Die beiden entwickelten Verbindungsklassen sind interessante Werkzeuge, um die physiologische Regulation der Proteinkinase CK2 näher zu analysieren; überdies stellen sie Ausgangspunkte für die Entwicklung neuartiger Krebstherapeutika dar

The protein kinase CK2 is a tetrameric enzyme composed of a dimer of regulatory subunits (β) and two catalytic subunits, CK2α and/or CK2α’. The catalytic subunit of CK2 is constitutively active, while the regulatory subunit modulates the selectivity toward a subset of substrate proteins. CK2 is a ubiquitous Ser/Thr protein kinase involved in the control of various signaling pathways, and dysregulation of CK2 promotes cancer development. CK2 has been proved to be a valuable target in cancer treatment. Our objective was to target CK2 outside the ATP-pocket. Two independent classes of compounds were studied: Based on a first hit with a low potency (IC50 = 30 μM) but a non-ATP competitive mechanism of action, several 2-aminothiazole derivatives were synthesized to lead to a potent (IC50 = 0.6 μM) and cell efficient allosteric inhibitor of CK2. Using single mutation scanning, CD spectrometry, STD-NMR and docking experiments, the binding site of our compounds was precisely defined outside the ATP-pocket, at the interface of the glycine-rich loop and the αC-helix. Inhibitors of the α/β interaction were studied from a small cyclic peptide to the development of small molecules through Virtual Ligand Screening. Structures Activity Studies were conducted on the synthesized derivatives and cellular based assays to evaluate the α/β inhibitors were set up. The two classes of compounds developed herein are valuable tools to understand the physiological regulation of the protein kinase CK2, and potential new opportunities in cancer treatment