Abstract Protein kinases are highly tractable targets for drug discovery. However, the biological function and therapeutic potential of the majority of the 500+ human protein kinases remains unknown. We have developed physical and virtual collections of small molecule inhibitors, which we call chemogenomic sets, that are designed to inhibit the catalytic function of almost half the human protein kinases. In this manuscript we share our progress towards generation of a comprehensive kinase chemogenomic set (KCGS), release kinome profiling data of a large inhibitor set (Published Kinase Inhibitor Set 2 (PKIS2)), and outline a process through which the community can openly collaborate to create a KCGS that probes the full complement of human protein kinases.

ABSTRACT The nsP3 macrodomain is a conserved protein interaction module that plays essential regulatory roles in host immune response by recognizing and removing posttranslational ADP-ribosylation sites during SARS-CoV-2 infection. Thus, targeting this protein domain may offer a therapeutic strategy to combat the current and future virus pandemics. To assist inhibitor development efforts, we report here a comprehensive set of macrodomain crystal structures complexed with diverse naturally-occurring nucleotides, small molecules as well as nucleotide analogues including GS-441524 and its phosphorylated analogue, active metabolites of remdesivir. The presented data strengthen our understanding of the SARS-CoV-2 macrodomain structural plasticity and it provides chemical starting points for future inhibitor development.

Leucine Rich Repeat Kinase 1 and 2 (LRRK1 and LRRK2) are homologs in the ROCO family of proteins in humans. Despite their shared domain architecture and involvement in intracellular trafficking, their disease associations are strikingly different: LRRK2 is involved in familial Parkinson’s Disease (PD) while LRRK1 is linked to bone diseases. Furthermore, PD-linked mutations in LRRK2 are typically autosomal dominant gain-of-function while those in LRRK1 are autosomal recessive loss-of-function. To understand these differences, we solved cryo-EM structures of LRRK1 in its monomeric and dimeric forms. Both differ from the corresponding LRRK2 structures. Unlike LRRK2, which is sterically autoinhibited as a monomer, LRRK1 is sterically autoinhibited in a dimer-dependent manner. LRRK1 has an additional level of autoinhibition that prevents activation of the kinase and is absent in LRRK2. Finally, we place the structural signatures of LRRK1 and LRRK2 in the context of the evolution of the LRRK family of proteins.

Abstract Much attention has focused on LRRK2, as autosomal dominant missense mutations that enhance its kinase activity cause inherited Parkinson’s disease. LRRK2 regulates biology by phosphorylating a subset of Rab GTPases including Rab8A and Rab10 within its effector binding motif. In this study we explore whether LRRK1, a less studied homologue of LRRK2 that regulates growth factor receptor trafficking and osteoclast biology might also phosphorylate Rab proteins. Using mass spectrometry, we found that the endogenous Rab7A protein, phosphorylated at Ser72 was most impacted by LRRK1 knock-out. This residue is not phosphorylated by LRRK2 but lies at the equivalent site targeted by LRRK2 on Rab8A and Rab10. Accordingly, recombinant LRRK1 efficiently phosphorylated Rab7A at Ser72, but not Rab8A or Rab10. Employing a novel phospho-specific antibody, we found that phorbol ester stimulation of mouse embryonic fibroblasts markedly enhanced phosphorylation of Rab7A at Ser72 via LRRK1. We identify two LRRK1 mutations (K746G and I1412T), equivalent to the LRRK2 R1441G and I2020T Parkinson’s mutations, that enhance LRRK1 mediated phosphorylation of Rab7A. We demonstrate that two regulators of LRRK2 namely Rab29 and VPS35[D620N], do not influence LRRK1. Widely used LRRK2 inhibitors do not inhibit LRRK1, but we identify a promiscuous Type-2 tyrosine kinase inhibitor termed GZD-824 that inhibits both LRRK1 and LRRK2. Finally, we show that interaction of Rab7A with its effector RILP is not affected by high stoichiometry LRRK1 phosphorylation. Altogether, these finding reinforce the idea that the LRRK enzymes have evolved as major regulators of Rab biology.

Abstract The two major molecular switches in biology, kinases and GTPases, are both contained in the Parkinson’s Disease-related Leucine-rich repeat kinase 2 (LRRK2). Using hydrogen-deuterium exchange mass spectrometry (HDX-MS) and Molecular Dynamics (MD) simulations, we generated a comprehensive dynamic allosteric portrait of the C-terminal domains of LRRK2 (LRRK2 RCKW ). We identified two helices that shield the kinase domain and regulate LRRK2 conformation and function. One docking helix in COR-B (Dk-Helix) tethers the COR-B domain to the αC helix of the kinase domain and faces its Activation Loop, while the C-terminal helix (Ct-Helix) extends from the WD40 domain and interacts with both kinase lobes. The Ct-Helix and the N-terminus of the Dk-Helix create a “cap” that regulates the N-Lobe of the kinase domain. Our analyses reveal allosteric sites for pharmacological intervention and confirm the kinase domain as the central hub for conformational control.

Abstract Aims Advanced age is unequivocally linked to the development of cardiovascular disease, however, the mechanisms leading to loss of endothelial cell regenerative capacity during aging remain poorly understood. Here we aimed to investigate novel mechanisms involved in endothelial cell senescence, that impact on endothelial cell transcription and the vascular repair response upon injury Methods and results RNA sequencing of a unique collection of native endothelial cells from young and aged individuals, showed that aging (20 vs. 80 years) is characterized by p53- mediated reprogramming to promote the expression of senescence-associate genes. Molecular analysis revelead that p53 accumulated and acetylated in the nucleus of aged human endothelial cells to suppress glycolysis. Metabolic flux analysis identified an associated reduction in glucose uptake and ATP availability that inhibited the assembly of the telomerase complex, which was essential for proliferation. Nuclear translocation of p53 in aged endothelial cells was attributed to the loss of the vasoprotective enzyme, cystathionine γ-lyase (CSE), which physically anchored p53 in the cytosol. In mice, loss of endothelial cell CSE activated p53 and arrested vascular repair upon injury, while the AAV9 mediated re-expression of an active CSE mutant retained p53 in the cytosol, maintained endothelial glucose metabolism and proliferation, and prevented endothelial cell senescence. Adenoviral overexpression of CSE in human native aged endothelial cells maintained low p53 activity and re-activated telomerase to revert endothelial cell senescence. Conclusion Our data identified the interaction between CSE and p53 as a promising target to preserve vascular regeneration during aging. Key Question To identify the mechanisms that regulate endothelial cell senescence under native conditions and their impact on vascular repair in aging. Key Finding Lack of a physical interaction between CSE and p53 metabolically reprogrammes endothelial cells to reduce telomerase activity and halt endothelial cell regeneration. Take home message Interventions to increase CSE expression represent a novel therapy against p53-induced endothelial cell cycle arrest and senescense Translational perspective Endothelial rejuvenation strategies could serve as promising therapies against age-related cardiovascular diseases. By investigating human native endothelial cells from young and aged individuals, we identified that the age-related nuclear accumulation of p53 reprograms endothelial cell metabolism, regulates telomerase activity and inhibits endothelial cell regeneration. Nuclear localization of p53 resulted from a loss of its interaction with the cysteine catabolizing enzyme cystathionine γ-lyase in the cytoplasm. Enhancing the physical interaction of p53 with CSE by gene therapy could revert endothelial cell senescence and activate endothelial reparative responses.

Abstract Kinase inhibitors are successful therapeutics in the treatment of cancers and autoimmune diseases and are useful tools in biomedical research. The high sequence and structural conservation of the catalytic kinase domain complicates the development of specific kinase inhibitors. As a consequence, most kinase inhibitors also inhibit off-target kinases which complicates the interpretation of phenotypic responses. Additionally, inhibition of off-targets may cause toxicity in patients. Therefore, highly selective kinase inhibition is a major goal in both biomedical research and clinical practice. Currently, efforts to improve selective kinase inhibition are dominated by the development of new kinase inhibitors. Here, we present an alternative solution to this problem by combining inhibitors with divergent off-target activities. We have developed a multicompound-multitarget scoring (MMS) method framework that combines inhibitors to maximize target inhibition and to minimize off-target inhibition. Additionally, this framework enables rational polypharmacology by allowing optimization of inhibitor combinations against multiple selected on-targets and off-targets. Using MMS with previously published chemogenomic kinase inhibitor datasets we determine inhibitor combinations that achieve potent activity against a target kinase and that are more selective than the most selective single inhibitor against that target. We validate the calculated effect and selectivity of a combination of inhibitors using the in cellulo NanoBRET assay. The MMS framework is generalizable to other pharmacological targets where compound specificity is a challenge and diverse compound libraries are available.

ABSTRACT Salt-inducible kinases (SIKs) are key metabolic regulators. Imbalance of SIK function is associated with the development of diverse cancers, including breast, gastric and ovarian cancer. Chemical tools to clarify the roles of SIK in different diseases are, however, sparse and are generally characterized by poor kinome-wide selectivity. Here, we have adapted the pyrido[2,3- d ]pyrimidin-7-one-based PAK inhibitor G-5555 for the targeting of SIK, by exploiting differences in the back-pocket region of these kinases. Optimization was supported by high-resolution crystal structures of G-5555 bound to the known off-targets MST3 and MST4, leading to a chemical probe, MRIA9, with dual SIK/PAK activity and excellent selectivity over other kinases. Furthermore, we show that MRIA9 sensitizes ovarian cancer cells to treatment with the mitotic agent paclitaxel, confirming earlier data from genetic knockdown studies and suggesting a combination therapy with SIK inhibitors and paclitaxel for the treatment of paclitaxel-resistant ovarian cancer.

Abstract Unc-51-like kinase 4 (ULK4) is a pseudokinase that has been linked to the development of several diseases. Even though sequence motifs required for ATP binding in kinases are lacking, ULK4 still tightly binds ATP and the presence of the cofactor is required for structural stability of ULK4. Here we present a high-resolution structure of a ULK4-ATPγS complex revealing a highly unusual ATP binding mode in which the lack of the canonical VAIK motif lysine is compensated by K39, located N-terminal to αC. Evolutionary analysis suggests that degradation of active site motifs in metazoan ULK4 has co-occurred with an ULK4 specific activation loop, which stabilizes the C-helix. In addition, cellular interaction studies using BioID and biochemical validation data revealed high confidence interactors of the pseudokinase and armadillo repeat domains. Many of the identified ULK4 interaction partners were centrosomal and tubulin associated proteins and several active kinases suggesting new roles for ULK4. Highlights Structure of the ULK4 ATP complex reveals a unique ATP binding mode. Disease associated mutations modulate ATP binding and ULK4 stability Degradation of active site motifs co-occurred in evolution with an ULK4 specific activation loop BioID suggests a role of ULK4 regulating centrosomal and cytoskeletal functions

Prolonged drug residence times may result in longer lasting drug efficacy, improved pharmacodynamic properties and kinetic selectivity over off-targets with fast drug dissociation rates. However, few strategies have been elaborated to rationally modulate drug residence time and thereby to integrate this key property into the drug development process. Here, we show that the interaction between a halogen moiety on an inhibitor and an aromatic residue in the target protein can significantly increase inhibitor residence time. By using the interaction of the serine/threonine kinase haspin with 5-iodotubercidin (5-iTU) derivatives as a model for an archetypal active state (type I) kinase-inhibitor binding mode, we demonstrate that inhibitor residence times markedly increase with the size and polarizability of the halogen atom. This key interaction is dependent on the interactions with an aromatic residue in the gate keeper position and we observe this interaction in other kinases with an aromatic gate keeper residue. We provide a detailed mechanistic characterization of the halogen-aromatic π interactions in the haspin inhibitor complexes by means of kinetic, thermodynamic, and structural measurements along with binding energy calculations. Since halogens are frequently used in drugs and aromatic residues are often present in the binding sites of proteins, our results provide a compelling rationale for introducing aromatic-halogen interactions to prolong drug-target residence times.