Casein kinase-2 (CK2) are serine/threonine kinases with dual co-factor (ATP and GTP) specificity, that are involved in the regulation of a wide variety of cellular functions. Small molecules targeting CK2 have been described in the literature targeting different binding pockets of the kinase with a focus on type I inhibitors such as the recently published chemical probe SGC-CK2-1. In this study, we investigated whether known allosteric inhibitors binding to a pocket adjacent to helix αD could be combined with ATP mimetic moieties defining a novel class of ATP competitive compounds with a unique binding mode. Linking both binding sites requires a chemical linking moiety that would introduce a 90-degree angle between the ATP mimetic ring system and the αD targeting moiety, which was realized using a sulfonamide. The synthesized inhibitors were highly selective for CK2 with binding constants in the nM range and low micromolar activity. While these inhibitors need to be further improved, the present work provides a structure-based design strategy for highly selective CK2 inhibitors.

Abstract Recent successes in developing small-molecule degraders that act through the ubiquitin system have spurred efforts to extend this technology to other mechanisms, including the autophagosomal-lysosomal pathway. Therefore, reports of autophagosome tethering compounds (ATTECs) have received considerable attention from the drug development community. ATTECs are based on the target recruitment to LC3/GABARAP, a family of membrane-bound proteins that tether autophagy receptors to the autophagosome. In order to validate the existing ligands, we rigorously tested target engagement of reported ATTEC ligands and handles. Surprisingly, using various biophysical methods, most available ligands did not interact with their designated target LC3. Intrigued by the idea of developing ATTECs, we evaluated the druggability of LC3/GABARAP by in silico docking and large scale crystallographic fragment screening. The data revealed that most fragments bound to the HP2, but not the HP1 pocket of the LC3-interacting region (LIR) docking site, suggesting favorable druggability of this binding pocket. Here, we present diverse comprehensively validated ligands for future ATTEC development.

Abstract Casein kinase-2 (CK2) are serine/threonine kinases with dual co-factor (ATP and GTP) specificity, that are involved in the regulation of a wide variety of cellular functions. Small molecules targeting CK2 have been described in the literature targeting different binding pockets of the kinase with a focus on type I inhibitors such as the recently published chemical probe SGC-CK2-1. In this study, we investigated whether known allosteric inhibitors binding to a pocket adjacent to helix αD could be combined with ATP mimetic moieties defining a novel class of ATP competitive compounds with a unique binding mode. Linking both binding sites requires a chemical linking moiety that would introduce a 90-degree angle between the ATP mimetic ring system and the αD targeting moiety, which was realized using a sulfonamide. The synthesized inhibitors were highly selective for CK2 with binding constants in the nM range and low micromolar activity. While these inhibitors need to be further improved, the present work provides a structure-based design strategy for highly selective CK2 inhibitors.

Summary Small molecule degraders such as PROteolysis TArgeting Chimeras (PROTACs) or molecular glues are new modalities for drug development and important tools for target validation. Both modalities recruit an E3 ubiquitin ligase to a protein of interest (POI) either via two independent, but linked ligands (PROTACs) or through binding of a small molecule that alters the E3 binding surface to recruit a neo-substrate (molecular glues). If optimized appropriately, both modalities result in the degradation of the POI. Due to the complexity of the induced multistep degradation process, controls for degrader evaluation are critical and they are commonly used in the literature. However, comparative studies and evaluation of cellular potencies of these control compounds and their appropriate uses have not been published so far. Additionally, the high diversity of mechanisms requires diverse small molecule controls to ensure appropriate inhibition of the investigated system while keeping potential cellular toxicity and unintended effects on cellular pathways as low as possible. Here, we scrutinized a diverse set of ubiquitin pathway inhibitors and evaluated their potency and utility within the CRBN and VHL mediated POI degradation pathway. We used the HiBiT system to measure the levels of target rescue after treatment with control compounds. Additionally, cell health was investigated using a multiplex high content assay. This assay panel allows us to determine non-toxic effective concentrations for control experiments and to perform rescue experiments in the absence of cellular toxicity, which has a profound effect on target degradation by ubiquitin-dependent and -independent pathways.

Small molecule degraders such as PROteolysis TArgeting Chimeras (PROTACs) and molecular glues are new modalities for drug development and important tools for target validation. When appropriately optimized, both modalities lead to proteasomal degradation of the protein of interest (POI). Due to the complexity of the induced multistep degradation process, controls for degrader evaluation are critical and commonly used in the literature. However, comparative studies and evaluations of cellular potencies of these control compounds have not been published so far. Here, we investigated a diverse set of ubiquitin pathway inhibitors and evaluated their potency and utility within the CRBN and VHL-mediated degradation pathway. We used the HiBiT system to measure the level of target rescue after treatment with the control compounds. In addition, the cell health was assessed using a multiplexed high-content assay. These assays allowed us to determine nontoxic effective concentrations for control experiments and to perform rescue experiments in the absence of cellular toxicity.

Recent successes in developing small molecule degraders that act through the ubiquitin system have spurred efforts to extend this technology to other mechanisms, including the autophagosomal-lysosomal pathway. Therefore, reports of autophagosome tethering compounds (ATTECs) have received considerable attention from the drug development community. ATTECs are based on the recruitment of targets to LC3/GABARAP, a family of ubiquitin-like proteins that presumably bind to the autophagosome membrane and tether cargo-loaded autophagy receptors into the autophagosome. In this work, we rigorously tested the target engagement of the reported ATTECs to validate the existing LC3/GABARAP ligands. Surprisingly, we were unable to detect interaction with their designated target LC3 using a diversity of biophysical methods. Intrigued by the idea of developing ATTECs, we evaluated the ligandability of LC3/GABARAP by in silico docking and large-scale crystallographic fragment screening. Data based on approximately 1000 crystal structures revealed that most fragments bound to the HP2 but not to the HP1 pocket within the LIR docking site, suggesting a favorable ligandability of HP2. Through this study, we identified diverse validated LC3/GABARAP ligands and fragments as starting points for chemical probe and ATTEC development.