Abstract:

Versione in italiano:

CK2 è una chinasi proteica S/T, la cui attività aberrante è correlata a una moltitudine di malattie umane, che vanno dal cancro alle infezioni virali e ai disturbi psichiatrici. Si tratta di un enzima costitutivamente attivo, senza un evidente meccanismo di regolazione, e, sebbene in molti casi la sua alta attività patologica possa essere spiegata da un alto livello di proteina CK2, le ragioni della sua up-regulation anomala sono in gran parte sconosciute. È stato riportato che l'associazione della CK2 a specifiche proteine di legame possa aumentare la sua attività, ma un'indagine dettagliata su questo possibile meccanismo di regolazione non è mai stata effettuata. Oltre all'up-regulation, sono state recentemente descritte mutazioni del gene CK2 CSNK2A1 nei disturbi neuro-sviluppativi Okur-Chung (OCNDS). È stata riportata solo una caratterizzazione biochimica preliminare di alcuni di questi mutanti. Abbiamo prodotto alcuni di essi, e i risultati preliminari mostrano che hanno un'attività compromessa. All'interno di questo progetto, il nostro obiettivo è sviluppare una nuova piattaforma basata sull'immobilizzazione delle proteine, nonché su tecniche avanzate di cristallizzazione e caratterizzazione, che includano anche l'uso di radiazioni di sincrotrone, per eseguire studi strutturali/funzionali su:

1. Complessi di CK2 con proteine cellulari che si prevede possano produrre un effetto attivatore. Questo consentirebbe: (i) progettare molecole che prevengano/disruptano tali interazioni, proteggendo così contro l'attivazione aberrante della CK2; (ii) simulando le regioni di interazione, ottenere piccole molecole attivatrici della CK2, utili nel caso di attività troppo bassa della CK2;

2. I mutanti naturali di CK2 recentemente trovati nei pazienti con OCNDS, per caratterizzare le proprietà biochimiche e i possibili cambiamenti conformazionali dei casi rilevanti, rispetto alla proteina wild-type, ed esplorare ipotesi per future interventi terapeutici.
Le tre unità di ricerca (UniPD, UniGE e UniBO) contribuiranno sinergicamente secondo la loro specifica esperienza. Il progetto è organizzato in 4 pacchetti di lavoro (WP): produzione di CK2 (wild-type e mutanti naturali) e dei suoi possibili partner attivatori, caratterizzazione biochimica e esperimenti di validazione in cellule (WP1); studi di stabilità e morfologia su partner CK2-attivatori selezionati (WP2); determinazione strutturale dei complessi più stabili di CK2 e dei suoi mutanti naturali mediante diffrazione a raggi X applicando il metodo di cristallizzazione tramite il nanotemplate Langmuir–Blodgett o mediante l'uso di superfici funzionalizzate, e/o mediante tecniche complementari in soluzione come la Small Angle X-ray Scattering e la Cryo-Electron Microscopy (WP3); gestione, disseminazione e sfruttamento dei risultati del progetto (WP4).
I risultati di questo progetto si prevede abbiano un alto impatto nel campo biomedico, mirando non solo a migliorare la conoscenza su una chinasi fortemente implicata nelle malattie, ma anche a identificare nuove possibili strategie terapeutiche.

English version:

CK2 is a S/T protein kinase, whose aberrant activity is related to a plethora of human diseases, ranging from cancer to virus infections and psychiatric disorders. It is a constitutively active enzyme, with no obvious mechanism of regulation, and, although in many cases its pathologically high activity can be explained by a high CK2 protein level, the reasons of its abnormal up-regulation are largely unknown. It has been reported that CK2 association to specific binding proteins may enhance its activity, but a detailed investigation on this possible mechanism of regulation has never been performed. Beside up-regulation, mutations of the CK2 gene CSNK2A1 have been recently described in the neurodevelopment disorders Okur-Chung (OCNDS). Only preliminary biochemical characterization of some of these mutants has been reported. We produced some of them, and preliminary results show they have impaired activity. Within this project, we aim to develop a novel platform based on protein immobilization as well as advanced crystallization and characterization techniques including also the use of synchrotron radiation, to perform structural/functional studies on:
1. CK2 complexes with cellular proteins expected to produce an activator effect. This would allow: (i) to design molecules preventing/disrupting such interactions, thus protecting against aberrant activation of CK2; (ii) by simulating the interacting regions, to obtain small CK2 activator molecules, useful in case of too low CK2 activity;
2. CK2 natural mutants recently found in OCNDS patients, to characterize the biochemical properties and possible conformational changes of relevant cases, with respect to the wild-type protein, and explore hypotheses of future therapeutic interventions.
The three research units (UniPD, UniGE and UniBO) will synergistically contribute according to their specific expertise. The project is organized into 4 work packages (WPs): production of CK2 (wild-type and natural mutants) and its possible activator partners, biochemical characterization and in cells validation experiments (WP1); stability and morphological studies on selected CK2-activator partners (WP2); structural determination of the most stable CK2-complexes and its natural mutants by X-ray diffraction applying the crystallization through the Langmuir–Blodgett nanotemplate method or by the use of functionalized surfaces, and/or by complementary in solution techniques such as Small Angle X-ray Scattering and Cryo-Electron Microscopy (WP3); management, dissemination and exploitation of the project outcomes (WP4).
The achievements of this project are expected to have a high impact in biomedical field aiming not only at improving the knowledge on a kinase strongly implicated in diseases, but also at identifying new possible therapeutic strategies.

Contatti: maria.ruzzene@unipd.it