Erforschung und Erschließung sekundärer Bindungsstellen der Proteinkinase CK2

• Antragsteller: Professor Dr. Joachim Jose; Professor Dr. Karsten Niefind
• Fachliche Zuordnung: Strukturbiologie ; Biochemie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 505676396

Die Proteinkinase CK2, ein acidophiles, pleiotropes und hochkonserviertes Mitglied der Superfamilie eukaryotischer Proteinkinasen, kommt überwiegend als heterotetrameres Holoenzym vor; dieses besteht aus einem zentralen Dimer regulatorischer Untereinheiten (CK2β), an das katalytische Ketten gebunden sind. Beim Menschen gibt es zwei paraloge Isoformen der katalytischen Untereinheit, bezeichnals CK2α und CK2α'. Da CK2 in vielen Tumoren hochreguliert ist, gilt sie als attraktives pharmazeutisches Zielenzym. Die typische Zielregion zur Hemmung von CK2 und anderen Proteinkinasen ist die ATP-Tasche (daher oft als "primäre" Bindungsstelle bezeichnet). Aufgrund der strukturellen Konserviertheit der ATP-Bindungsstelle sind ATP-kompetitive Inhibitoren in ihrer Selektivität limitiert. Eine Strategie, dieses Problem zu überwinden, ist die Verwendung einer "sekundären" Bindungsstelle, die entweder allein oder in Kombination mit der ATP-Tasche durch einen sogenannten bivalenten Inhibitor adressiert werden kann. Typische sekundäre Bindungsstellen sind die substratbindende Region und allosterische Taschen, die vom aktiven Zentrum entfernt liegen. Allosterische Bindungsstellen können präformiert oder "kryptisch" sein, d. h. sie sind in der Apo-Form geschlossen und werden nur in Gegenwart eines geeigneten Liganden zugänglich. Eine attraktive sekundäre Bindungsstelle von CK2α und CK2α' ist die αD-Tasche, eine kryptische Bindungsstelle, die nur nach Konformationsänderungen der αD-Helixregion zugänglich ist. Im XPLOR_CK2-Projekt soll die αD-Tasche genutzt werden, um hochwirksame, selektive und zellgängige bivalente Inhibitoren mit ATP-kompetitiven Ankergruppen auf Indenoindolbasis zu erzeugen. Möglichst soll die Selektivität so weit gesteigert werden, dass die beiden Isoformen CK2α und CK2α' unterscheidbar werden. Ausgewählte bivalente Inhibitoren aus diesem Teilprojekt werden verwendet, um hochaufgelöste Kristallstrukturen der beiden CK2-Holoenzyme auf der Basis von CK2α oder CK2α' zu bestimmen. Weitere wichtige sekundäre Bindungsstellen für das XPLOR_CK2-Projekt sind die Substraterkennungsregion, die Heparinbindungsstelle und eine neuartige Bindungsstelle am N-terminalen Segment. Ein kürzlich beschriebenes Substratpeptid wird genutzt, um die erste CK2α/CK2α'-Struktur im Komplex mit einem gut definierten Peptidsubstrat zu lösen. Die Heparinbindungsstelle wurde in CK2α entdeckt, soll nun aber auch in CK2α' nachgewiesen werden. Sie soll genutzt werden, um bivalente Inhibitoren auf Indenoindolbasis zu konstruieren, die Teile der Heparinbindungsstelle ansprechen. Die Bindungsstelle am N-terminalen Segment ist kryptisch und wurde kürzlich in CK2α'-Kristallen nach Einwirkung eines mutmaßlichen Bisubstratinhibitors gefunden. Ihre Existenz soll mit CK2α und im nicht-kristallinen Zustand bestätigt werden. Im Falle einer Validierung soll ihre Überlappung mit der Substraterkennungsregion ausgenutzt werden, um einen selektiven, substratkompetitiven CK2-Inhibitor zu entwickeln.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartner: Professor Dr. Marc Le Borgne