Open Access

Lena Marie Berger

• Protein kinases are key signalling molecules and transduce intracellular signals via the post-translational phosphorylation of substrate proteins, often other protein kinases. Dysregulation of this protein family has been linked to many diseases including neurodegenerative diseases, inflammation and cancer and amplifications of kinases play important roles as diagnostic biomarkers in a variety of cancers. Various strategies have been developed to treat dysregulated protein kinases. Most commonly, chemical small molecule inhibitors are used to modulate protein kinase activity in cancer cells. Many inhibitor and general research efforts have focused only on a small subset of protein kinases, resulting in a large portion of the kinome, the so-called “dark” kinome, remaining largely unexplored. As part of the strategy to develop inhibitors, it is crucial to understand the structure-activity-relationships (SAR) of small molecules to the activity towards the targets based on understanding small molecule-target affinities as determined by biophysical, biochemical, and cellular methods. However, not always do in vitro determined affinities, which are frequently used as basis for SAR considerations, correlate with the cellular affinity. For protein kinases in particular, it has been shown that the cellular concentration of the natural substrate adenosine-triphosphate (ATP) plays a critical role for the resulting small molecule affinity, as substrate and inhibitor frequently compete for the same binding site of the protein kinase. The cellular target engagement assay NanoBRET is a versatile assay that overcomes this problem and can be used to assess binding of a compound to the full-length protein kinase, in the presence of natural binding partners. Another important factor in inhibitor optimization is the selectivity of the molecule within the family of protein kinases. When comparing the selectivity profiles of small molecule kinase inhibitors in vitro and in cells, different profiles can be observed. Frequently, a compound, binds fewer protein kinases with high affinity in cells, indicating that cellular profiling of protein kinase inhibitors is necessary to understand the selectivity profile of an inhibitor. The goal of this work was to understand cellular SARs of inhibitors for kinases and dark kinases in medicinal chemistry projects, and to understand the selectivity profiles of existing small molecules in cells, including already approved drugs and clinically used kinases inhibitors. The cellular potency and selectivity aspects guided optimization of the inhibitors towards selective small molecules ‘chemical probes’ or highly validated inhibitors with a narrow selectivity profile as part of ‘chemogenomic libraries’. One strategy to improve selectivity has been to use sterically restricted cyclic small molecules, called macrocycles, that allow fewer conformations of the molecule than their non-cyclic parent compound. In this thesis the dark kinase STK17A was investigated. Macrocyclization was used to develop a selective chemical probe molecule that is also selective in the cellular context. For another kinase, SIK2, a rational design approach was used to exclude off-targets bound by the lead structure, resulting in a chemical probe that selectively targets the SIK1/2/3 proteins. Assessing cellular potency of another series of inhibitors, a probe was developed for the PCTAIRE subfamily of the CDK kinases. This required co-expression of the binding partners of CDKs, the cyclins, in cells to obtain a functional assay. To identify new candidates for the neglected family of splicing kinases comprising the CLK, SRPK, DYRK and HIPK protein kinase subfamilies, a literature review was conducted, and the best small molecule candidates were compared for their target engagement in cells. This led to a series of small molecule inhibitors that may be used as a set or single agents to target the CLK proteins and SRPK proteins or in combination to target the remaining proteins. In search of new starting points for this subfamily of kinases, an initial screen with NanoBRET technology was performed using a library of over 2000 inhibitors, and new starting points were identified. Additionally, a set of clinical and approved small molecule kinase inhibitors was assessed for their selectivity in cells. Several highly selective molecules were identified that were much less selective in in vitro approaches. The set of data allowed for a comprehensive comparison of cellular potencies with published data using in vitro binding, in vitro activity and data obtained from cell lysates and identified several protein kinases that would need to be investigated in cells...
• Proteinkinasen wirken als Signalmoleküle und leiten intrazelluläre Signale über die posttranslationale Phosphorylierung von Substratproteinen, häufig anderen Proteinkinasen, weiter. Zur Behandlung desregulierter Proteinkinasen wurden verschiedene Strategien entwickelt; am häufigsten werden chemische niedermolekulare Inhibitoren zur Modulation der Proteinkinaseaktivität in Krebszellen eingesetzt. Viele Hemmstoff und allgemeine Forschungsbemühungen haben sich nur auf eine ähnliche Gruppe von Proteinkinasen konzentriert, was dazu führt, dass ein Teil des Kinoms, das so genannte "dunkle" Kinom, weitgehend unerforscht bleibt. Als Teil der Strategie für den Einsatz von Inhibitoren ist es von entscheidender Bedeutung, die Struktur-Aktivitäts-Beziehungen zwischen kleinen Molekülen und ihren Zielmolekülen zu verstehen, und zwar auf der Grundlage des Verständnisses der Affinitäten zwischen niedermolekularen Molekülen und Zielmolekülen, wie sie durch biophysikalische, biochemische und zelluläre Techniken bestimmt werden. Während eine in vitro ermittelte Affinität häufig mit der zellulären Affinität korreliert, müssen bei manchen an deren Substanzen zusätzliche Faktoren im zellulären Kontext berücksichtigt werden. Bei Proteinkinasen hat sich gezeigt, dass die zelluläre Konzentration des natürlichen Substrats Adenosintriphosphat (ATP) eine entscheidende Rolle für die resultierende Affinität kleiner Moleküle spielt, da Substrat und Inhibitor um die Bindungsstelle der Proteinkinasen konkurrieren. Weitere Faktoren, die bei dem zellulären Target Engagement Assay, auch NanoBRET genannt, berücksichtigt werden, sind die Verwendung von transient exprimierten Proteinkinasen in voller Länge, posttranslationale Modifikationen beim Menschen, die subzelluläre Lokalisierung und das Vorhandensein natürlicher Bindungspartner. Ein weiterer wichtiger Faktor bei der Optimierung kleiner Moleküle ist die Selektivität des Moleküls innerhalb der Familie der Proteinkinasen. Beim Vergleich der Selektivitätsprofile von niedermolekularen Kinase Inhibitoren in vitro und in Zellen wurde festgestellt, dass die Selektivitätsprofile kleiner werden, also weniger Proteinkinasen mit hoher Affinität gebunden werden, was darauf hindeutet, dass eine zelluläre Profilierung von Proteinkinase Inhibitoren notwendig ist, um die Zielprofile zu verstehen. Ziel dieser Arbeit war es, die zellulären Struktur-Aktivitäts-Beziehungen von Proteinkinasen und dunklen Proteinkinasen in Projekten der Medizinialchemie zu verstehen, hochselektive kleine Moleküle zu entwickeln und die Selektivitätsprofile bestehender niedermolekularer Moleküle in Zellen zu untersuchen, einschließlich bereits zugelassener Medikamente und klinisch verwendeter Kinase Inhibitoren. Eine Strategie zur Verbesserung der Selektivität war die Verwendung sterisch eingeschränkter zyklischer kleiner Moleküle, so genannter Makrozyklen, die weniger Bindungszustände des Zielproteins zulassen als ihre nicht zyklische Ausgangsverbindung. Die aus dieser Arbeit resultierenden zellulären Daten halfen bei der Identifizierung neuer Kandidaten auf der Suche nach chemischen Sonden oder chemogenomischen Verbindungen, die für künftige Studien zur Identifikation neuer Zielmoleküle von Bedeutung sein können, da kleine Moleküle, die ein einziges Ziel molekül oder nur wenige Zielmoleküle hemmen, in phänotypischen Assays zur Identifizierung neuer Zielmoleküle verwendet werden können. Die in dieser Arbeit hauptsächlich verwendete Methode, NanoBRET, wurde dabei ausgehend von veröffentlichten Protokollen so weiterentwickelt, dass im Hochdurchsatzverfahren viele Projekte mit wichtigen Daten bereichert werden konnten. Bei NanoBRET wird eine Zielproteinkinase innerhalb eines DNA Plasmids an eine kleine Luciferase fusioniert und diese über transiente Transfektion exprimiert. Durch ein an die Zielkinase bindendes fluoreszierendes Molekül, dem Tracer, und der Zugabe von einem Substrat der kleinen Luciferase kommt es zu einem Energieübertrag der Biolumineszenz der kleinen Luciferase an den Tracer. Der so beobachtbare Signalanstieg kann durch konkurrierende Kleinmoleküle der Zielkinase dosisabhängig reduziert werden. In Kleinmolekültitrationen kann so auf die Affinität der Kleinmoleküle im zellulären Kontext geschlossen werden. Ein Beispiel für eine dunkle Kinase, die in dieser Arbeit untersucht wurde, ist STK17A. Für STK17A wurde die Strategie der Makrozyklisierung genutzt, um ein selektives chemisches Sondenmolekül zu entwickeln, das auch im zellulären Kontext selektiv ist. Dabei wurden initiale in vitro Daten der Selektivität im zellulären System selektiver im Vergleich zum Zielmolekül STK17A. Für eine andere Kinase, SIK2, wurde ein rationaler Designansatz verwendet, um unerwünschte Zielmoleküle nicht mehr zu inhibieren , die die Leitstruktur zeigte, wodurch am Ende eine chemische Sonde entwickelt werden konnte, die selektiv für die SIK1/2/3 Proteine ist...