Développement d'inhibiteurs de la protéine kinase CK2 ciblant l'interaction α/β : conception, synthèse, étude mécanistique et effets cellulaires
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For more than 50 years, the pleiotropic protein kinase CK2 has been widely investigated and was uncovered to play various roles in several distinct signaling pathways. Most notably, CK2 presents a very unique quaternary structure, consisting of two catalytic subunits (CK2α and/or CK2α’) which dynamically associate with two regulatory subunits (CK2β) in order to form the tetrameric complex. This protein appeared as a promising therapeutic target, due to its overexpression in numerous cancer cell lines, in addition to both its anti-apoptotic and antitumor drug resistance activities. Most of CK2 inhibitors, engineered these past few years, are ATP-competitive small molecules, among which the CX4945 (silmitasertib) managed to reach Phase II of clinical trials. However, it is well established in the literature that ATP-competitive agents exhibit significant toxicity owing to their lack of specificity and other issues such as resistances phenomenon, which can drastically hinder their development. The CX4945 is a marked example, being described as interacting with more than 20 others different protein kinases. Therefore, novel therapeutic strategies have been recently designed as for instance to selectively target the protein-protein interactions (PPIs), which are critical to cancer cells survival. The reversible CK2α/CK2β interaction is known to regulate and control CK2 localization, in addition to modulate substrate specificity. More recently, the first in class CK2-targeted PPIs antagonists were synthesized in our center, which impacted the holoenzyme association and partially altered CK2 activity. However, the very limited efficacy of such compounds did not allow to further study their in cellulo effects. Combining fragment-based drug design, NMR and structural studies, as well as pharmacomodulation approaches, we report in this work the synthesis of the second generation of PPIs CK2α/CK2β inhibitors, which are able to impede the tetrameric complex association with sub- micromolar affinities. Our studies also demonstrate a real therapeutic interest in inhibiting CK2 PPIs on a wide array of ex vivo cellular models, and finally shed light on the pharmacological profile of this series which could be adapted to in vivo models in a near future
Abstract FR:
La protéine kinase CK2, au centre de la recherche biomédicale depuis plus de 50 ans, est une enzyme pléiotrope qui s’immisce massivement dans de nombreuses voies de signalisation et qui se distingue par différentes propriétés inhabituelles, notamment sur son organisation moléculaire au sein de sa structure quaternaire. Elle correspond à un complexe hétéro-tétramérique (ou holoenzyme), formé par l’association dynamique de deux sous-unités catalytique (CK2α et/ou CK2α’) avec deux sous-unités régulatrices (CK2β). Une expression exacerbée dans différentes lignées cancéreuses, une aptitude à agir comme un suppresseur de l’apoptose et à promouvoir la survie cellulaire, associée à une forte implication pour renforcer un phénotype résistant aux médicaments, sont autant de caractéristiques qui soulignent l’intérêt pour la CK2 en tant que cible thérapeutique. La plupart des inhibiteurs identifiés au cours des deux dernières décennies sur l’holoenzyme sont des molécules ATP- mimétiques, dont l’une d’entre elle, le CX4945 (silmitasertib), s’est hissée jusqu’en essai clinique de phase II. Généralement, avec ce mode d’action, ces molécules sont pourvues d’un profil de toxicité favorable, dû à un manque de spécificité pour leur cible et sont sujettes à l’apparition de résistances qui viennent compromettre leur réussite en clinique. Le CX4945 ne fait pas exception puisque différentes études ont montré sa capacité à inhiber plus d’une vingtaine de protéines kinases, autres que la CK2. Partant de ce constat, de nouvelles stratégies sont proposées pour moduler l’activité des enzymes essentielles à la survie des cellules cancéreuses, sans cibler le site catalytique. La régulation, la spécificité de ses substrats et la localisation subcellulaire de la CK2 reposent sur son interaction réversible CK2α/CK2β. Plus récemment, les premiers antagonistes chimiques de cette interaction ont été décrits par notre laboratoire. Ces molécules déstabilisent la formation de l’holoenzyme, ce qui altère partiellement l'activité de la CK2. Toutefois, l’efficacité limitée de ces composés n’a pas permis de comprendre leurs effets au niveau cellulaire. A partir de leurs données structurales et en combinant le criblage de fragments guidé par des expériences RMN, des études de modélisation et des approches de pharmacomodulation plus classiques, nous avons développé au cours de cette étude une seconde génération d’inhibiteurs de l’interaction CK2α/CK2β, capables de perturber la formation du complexe protéique avec une affinité inférieure au micromolaire. Notre étude démontre l’intérêt thérapeutique d’inhiber la CK2 avec ce mode d’action à l’aide de différents modèles cellulaires, apporte les premières preuves de concept ex vivo, en permettant de confirmer un profil pharmacologique adapté à de prochaines évaluations in vivo