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CE und FRET als Tools zur Testung von Inhibitoren der humanen Proteinkinase CK2 Univ.Prof. Dr. Joachim Jose Bioanalytik Institut für Pharmazeutische und Medizinische Chemie

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CE und FRET als Tools zur Testung von Inhibitoren der humanen ProteinkinaseCK2

Univ.‐Prof. Dr. Joachim Jose

Bioanalytik

Institut für Pharmazeutische und Medizinische Chemie

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JJ          06.10.10 2FG Analytik   

Protein kinases

„the largest and best studied superfamily of the human genome“

Human „kinome“ consists of 518 kinases

Human genomeca. 30.000

potentialDrug targetsca.3.000

Disease‐related genes 

ca.3.000druggabletargets

500‐1.500

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Human protein kinase CK2

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Holoenzyme consists of two catalytic and two regulatory subunits

C‐terminus of CK2

N‐terminus of CK2

N‐terminus of CK2

C‐terminus of CK2

AMPPNP

ATP binding site

Human protein kinase CK2

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Human protein kinase CK2

PS-341

bryostatin, PKC412

ATK, MAFP

okadaic acid, fostreicin, calyculin A

Vinca alkaloids*taxol/taxoterehalichondrin*spongistatin*rhizoxin*cryptophycinsarcodictyineleutherobinepothilonesdiscodermolideD-24851 ?dolastatin*combretastatin*

(R)-roscovitine (CYC202)paullones, indirubins

G2

M

G1

S

G0

tyrosine kinases

DNA synthesis

topoisomerase I

CDK2tubulin polymerisation/

depolymerisation

camptothecin

CDK4

flavopiridol

(R)-roscovitine (CYC202)paullones, indirubins

gleeveciressaOSI774

hydroxyureacytarabineantifolates

5-fluorouracil6-mercaptopurine

nitrogen mustardsnitrosoureasmitomycin C

CDK1

Chk1Chk2

UCN-01, SB-218078debromohymenialdisineisogranulatimide

AhR

actin

kinesin Eg5

monastrol

ecteinascidin 743

podophyllotoxin,doxorubicinetoposide, mitoxantrone

topoisomerase II

ATM/ATR

R115777SCH66336

ROCK

Y-27632

CDC25

DF203

FK317 HMGA

Plk1

Aurora

wortmannincaffeine

ODC/SAMDC

Pin1

GSK-3

Cdc7

nucleotide excision repair

Raf cytochalasinslatrunculin Ascytophycinsdolastatin 11jasplakinolide

paullones, indirubins

BAY-43-9006

fumagillin,TNP-470PRIMA-1, pifithrin

mTOR/FRAP

proteasome

PKC

histone deacetylasetrichostatin, FK228

HSP90cytosolic phospholipase A2

hexadecylphosphocholine phospholipase D

CT-2584 choline kinase

MEK1/Erk-1/2

PD98059, U0126

menadione (K3)

farnesyl transferase

phosphatases

rapamycin

geldanamycin, 17-AAG

Wee1

PD0166285

polyamine analoguesPin1

p53/MDM2

CK2 blockage

CK2 blockage

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Human protein kinase CK2:a target in neoplastic disease

‐ overexpressed in several cancers, incl. those of:prostate (Yenice et al., 1994, Hessenauer et 

al., 2003)mammary gland (Landesman‐Bollag et al. 2001)lung (Daya‐Makin et al. 1994)others (Faust et al. 1996)‐ transformation of lymphocytes into leukemia cells and cells of themammary gland to malignant cells in an animal model isaccompagnied by CK2 induction

(ole‐MoiYoi et al. 1993, Seldin and Leder 1995)‐ validation of protein kinase CK2 as oncological target by siRNA

silencing (Seeber et al., 2005)

‐ CK2 prevents tumor cells from apoptosis(Ahmad et al., 2005, 

Wang et al., 2006)‐ inhibition of CK 2 prevents the progression of glomerulonephritis

(Yamada et al., 2005)

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Known inhibitors of CK2 

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Gene (1996), 178:107‐110J Bacteriol (1997), 179:794‐804J Bacteriol (1999),181:7014‐7020ChemBioChem (2003), 4:396‐405

Anal Biochem (2004), 331:267‐274Appl Microbiol Biotechnol (2006), 69:607‐614Microbiol Mol Biol R (2007), 71:600‐619 Appl Environ Microbiol (2008), 74:4782‐4791

Autodisplay 

321

„Cystope tagging“Passagier

E.coli JK 321 (dsbA ‐ ompT ‐)E.coli JK 321 (DE3) (dsbA ‐ ompT ‐)E.coli UT 5600 (DE3) (dsbA + ompT ‐)E.coli UT 2300 (DE3) (dsbA + ompT +) C107, 108, 109, 110, 151, 152

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Autodisplay of human CK2

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Autodisplay of human CK2

M      E. coli E. coli E. coliAT‐ AT‐CK2α/β CK2α

AT‐CK2α

AT‐CK2β

Omp F/C

Omp A

AT‐CK2α

AT‐CK2β

Omp F/C

Omp A

M ‐ +Trypsin Trypsin

Co‐expression of ‐ und ‐ subunits

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Autodisplay of CK2: enzyme activity‐subunit separate and   and ‐subunit co‐expressed

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Autodisplay of CK2: IC50‐determination

NH

NN

BrBr

BrBr

TBB (4,5,6,7‐tetrabromo‐

benzotriazole) 

IC50 value determination of a known CK2‐inhibitor:

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Recombinant expression and purification of human CK2

CK2 - subunit

CK2 - subunit

A B C D

RRRRDDDSDDD [-ATP

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Development of a new CK2 assay

FRET ‐ Fluorescence‐Resonance Energy Transfer 

J Enz Inhib Med Chem (2010), 25:234‐239

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J Enz Inhib Med Chem (2010), 25:234‐239

Development of a new CK2 assay

FRET ‐ Fluorescence‐Resonance Energy Transfer 

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J Enz Inhib Med Chem (2010), 25:234‐239

Development of a new CK2 assay

FRET ‐ Fluorescence‐Resonance Energy Transfer 

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Strategy

phosphorylation „mobility shift“

DetectorRRRDDDSDDD

Development of a CE‐based CK2 Assay

Electrophoresis (2010), 31:634‐640

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CE-conditions:30 kV50 cm length50 µm I.D.2 M acetic acid

Development of a CE‐based CK2 Assay

Electrophoresis (2010), 31:634‐640

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Kinetic analysis of CK2 reaction

Electrophoresis (2010), 31:634‐640

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• IC50 determination of known CK2‐inhibitors:

Inhibition test: proof‐of‐concept

O

O

HO CH3

OH OH

NH

NN

BrBr

BrBr

Emodin(6‐methyl‐1,3,8‐trihydroxyanthraquinone)

TBB (4,5,6,7‐tetrabromobenzotriazole) 

Electrophoresis (2010), 31:634‐640

0.89‐20.5‐1.6Radiometric

1.330.27CE

Emodin (■) TBB (●)IC50 [µM]

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R151: IC50=0.2 µM

Identification of novel CK2 inhibitors

R152: IC50=0.18 µM

Bioorg Med Chem, submitted

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Identification of novel CK2 inhibitors

IC50 of TF: on the level of best CK2 inhibitors currently published:

ellagic acid:  0.04 µMDMAT:  0.14 µM

TF: IC50=0.03 µM

DE 10 2010 025173.9.

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TF based reduction of cell viability

viability of LNCaP cells at different concentrations after24 h (•), 48 h (■), and 72 h (▲)

DE 10 2010 025173.9.

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TF based induction of apoptosis 

‐ PARP (poly‐ADP‐ribose‐polymerase) is cleaved by effector caspase 3‐ cleavage results in appearance of a 89 kDa PARP fragment‐ indicates point of no return in apoptose induction 

DE 10 2010 025173.9.

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CK2 inhibition in LNCaP cells 

‐ LNCaP cells were incubated with different concentrations of TF or TBB‐ radiometric determination of CK2 activity (duplicates)

DE 10 2010 025173.9.

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Specificity of kinase inhibition by TF 

DE 10 2010 025173.9.

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Summary

‐ new access to human protein kinase CK2 for inhibitor testing

‐ new inhibitor test assays: FRET‐based assay CE‐based assay

‐ identification of new potent human CK2 inhibitors:

indol‐2‐acetamide derivatives

‐ TF inhibits CK2 induces apoptosis in prostate cancer cell line

indol‐2‐thione derivatives

Biol Pharm Bull (2007), 30:715‐718

oxazinocarbazoles

B Cancer 97: 68S‐69S

N

OO

indeno[1,2‐b]indoles 

DE 10 2006 047 231 A1, PCT/EP2007/008624 

benzofurane derivatives

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Acknowledgements

Prof. Dr. Claudia Götz, Medicinal Biochemistry, Homburg, Germany

Dr. Andreas Gratz, Pharm. Med. Chem., Düsseldorf, Germany

Prof. Dr. Marc LeBorgne, Organic Chemistry, Lyon, France

Prof. Dr. Süreyya Ölgen, Pharmaceutical Chemistry, Ankara, Turkey

Prof. Dr. Uwe Kuckländer, Pharm. Med. Chem., Düsseldorf, Germany

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JJ          06.10.10 29FG Analytik   

Acknowledgements