DESIGN, SYNTHESIS AND BIOCHEMICAL CHARACTERIZATION OF INHIBITORS OF PROTEIN KINASES

The work described in this thesis is dealing with the identification and characterization of some new potent inhibitors of protein kinases CK1 and CK2. Four distinct sub-projects have been carried out. In the first part some derivatives of ellagic acid, a powerful recently discovered CK2 inhibitor, have been synthesized with the aim of simplifying the ellagic acid structure composed of two condensed coumarins. Particular attention was dedicated to urolithin A, a bio-active metabolite of ellagic acid, proved to be also effective on CK2 especially after the introduction of a bromine or of a nitro group at position 4, leading to a very high efficiency in the low nanomolar range. In the second part a series of polyiodinated benzimidazoles has been investigated for both inhibitory power and selectivity toward protein kinase CK2. The results show that 4,5,6,7-tetraiodobenzimidazoles display in general one order of magnitude lower IC50 values as compared with their tetrabrominated analogs. Molecular modeling supports the experimental data showing that the presence of iodine atoms as substituents of the benzene moiety leads to a better filling of the nucleotide binding pocket of the kinase. The third sub-project, investigated the potency and selectivity of a newly identified anthraquinone, quinalizarin, as an inhibitor of CK2 proved to be more potent and selective than emodin. Besides a very good efficiency, with a KI value of approx. 50 nM, especially remarkable is the ability of quinalizarin to discriminate between CK2 and a number of other kinases, notably DYRK1a, PIM 1,2, e 3, HIPK2, MNK1, ERK8 and PKD1 which conversely tend to be often inhibited as drastically as CK2 by other known CK2 inhibitors. Finally protein kinase CK1 was also taken in consideration with the aim of identifying new compounds able to selectively inhibit the different isoforms of this protein kinase. In this case we have identified two anthraquinones proved to be among the most potent and selective inhibitors of the CK1δ isoform. Activity assays performed on different isoforms of CK1 as well as on a number of other protein kinases demonstrated high selectivity toward isoform δ and a potency comparable to that of other commercially available CK1 inhibitors.

In questo elaborato viene descritta l’identificazione e la caratterizzazione di alcuni nuovi potenti inibitori di CK1 e di CK2. Sono stati sviluppati quattro distinti sotto progetti. Con l’obiettivo di pervenire a una semplificazione strutturale, nella prima parte sono stati sintetizzati alcuni derivati dell’acido ellagico, un inibitore di CK2 da noi recentemente identificato la cui struttura ricorda quella di due cumarine condensate. Particolare attenzione è stata rivolta all’urolitina A, uno dei metaboliti bio-attivi dell’acido ellagico che pure è risultata efficace contro la CK2 specialmente dopo l’introduzione di un atomo di bromo o di un nitro gruppo in posizione 4 che riportano le costanti di inibizione nel basso nano molare. Nella seconda parte sono stati studiati una serie di derivati poliiodinati del benzoimidazolo sia in relazione alla loro efficacia che alla selettività. I risultati mostrano che i 4,5,6,7-tetraiodobenzimidazoli sono in genere di un ordine di grandezza più potenti rispetto ai loro analoghi tetrabromoderivati. Dati ottenuti con tecniche di modellistica molecolare mostrano che la struttura del tetraiodobenzimidazolo si colloca meglio, all’interno della tasca nucleotidica della chinasi riempiendola più efficacemente, rispetto ai corrispondenti tetrabromo e tetracloro derivati. Nella terza parte, si è studiata l’efficacia e la selettività di un nuovo antrachinone identificato con un approccio di virtual screening, la quinalizarina, che si è rivelato più potente e selettivo della emodina. Oltre a un potere inibitorio ottimale, con una KI circa uguale a 50 nM, particolarmente interessante è l’abilità della chinalizarina di discriminare tra CK2 e un numero di chinasi, tra cui DYRK1a, PIM 1,2, e 3, HIPK2, MNK1, ERK8 e PKD1, che di solito tendono ad essere inibite altrettanto efficacemente dai più comuni inibitori di CK2. Infine è stato svolto un lavoro anche sulla protein chinasi CK1 con l’obiettivo di individuare nuovi composti capaci di inibire selettivamente le diverse isoforme di questa protein chinasi. Abbiamo così individuato due nuovi antrachinoni come nuovi potenziali inibitori di CK1δ. Con saggi di attività sulle diverse isoforme di CK1, così come su un discreto numero di altre protein chinasi, si è dimostrata l’alta selettività nei confronti dell’isoforma δ di CK1 e un potere inibitorio simile ai migliori inibitori di CK1 presenti in commercio.