Characterization of the mechanism of action of allosteric modulators of CDK5 in lung cancer

CDK5 est une protéine kinase atypique appartenant à la famille des CDKs découverte dans le système nerveux central où elle y est majoritairement exprimée et a longtemps été considérée comme neurospécifique. CDK5 est associée à son partenaire p35/p25 et permet la régulation de nombreuses fonctions neuronales telles que la migration des neurones ou la formation des synapses et la plasticité neuronale. Cependant nous savons aujourd’hui que cette kinase est exprimée de manière ubiquitaire et exerce aussi des fonctions en dehors du cerveau. La dérégulation de son activité kinase contribue au développement de pathologies neurodégénératives telles qu’Alzheimer ou Parkinson. Mais CDK5 est également impliquée dans le développement de cancers et a notamment été identifiée dans le cancer du poumon pour son rôle important dans la prolifération et la migration des cellules tumorales qui sont à l’origine du développement de métastases.Actuellement aucun composé n’est approuvé par la FDA ou l’EMA pour le ciblage thérapeutique de CDK5 et les seuls inhibiteurs conçus pour cibler CDK5 sont des petites molécules ciblant la poche de liaison à l’ATP comme la Roscovitine, ainsi que certains peptides ciblant l’interface CDK5/p25. Mais ces derniers présentent de sévères inconvénients tels que le manque de spécificité, le développement de résistances et des propriétés pharmacocinétiques faibles. Une stratégie alternative est de développer des modulateurs allostériques perturbant les transitions conformationnelles conduisant à l’activation de CDK5. Notre laboratoire a développé le biosenseur CDKCONF5 qui a permis d’identifier des modulateurs allostériques de CDK5, dont l’éthavérine et la papavérine. Ces molécules ont initialement été décrites comme des inhibiteurs de PDE4 et PDE10 dans le système neuronal. Au cours de ma thèse j’ai caractérisé le mécanisme moléculaire par lequel ces molécules ciblent et inhibent les fonctions de CDK5. J’ai dans un premier temps cherché à comprendre comment ces inhibiteurs affectaient les interactions de CDK5 entre ses partenaires et substrats à travers des test in vitro et dans des extraits cellulaires dérivés du glioblastome. Dans un second temps j’ai caractérisé le potentiel inhibiteur de ces composés dans des lignées cellulaires issus de glioblastome humain et de cancers du poumon. Cela nous a permis de mettre en évidence que ces composés inhibent la prolifération ainsi que la migration cellulaires. Nous avons enfin mis en évidence une dépendance de p53 sur leur potentiel inhibiteur de CDK5. L’identification d’inhibiteurs allostériques de CDK5 par repositionnement de composés offre des perspectives attractives pour proposer des thérapies efficaces pour les cancers du poumon.CDK5 is an atypical protein kinase belonging to the family of CDKs discovered in the central nervous system where it is predominantly expressed and has long been considered as neurospecific. CDK5 is associated with its partner p35/p25 and allows the regulation of many neuronal functions such as neuronal migration, synapse formation and neuronal plasticity. However, we now know that this kinase is expressed ubiquitously and also has functions outside the brain. The deregulation of its kinase activity contributes to the development of neurodegenerative diseases such as Alzheimer's or Parkinson's. But CDK5 is also involved in the development of cancers and has been identified in lung cancer for its important role in the proliferation and migration of tumor cells that lead to the development of metastases.Currently, no compound is approved by the FDA or the EMA for the therapeutic targeting of CDK5 and the only inhibitors designed to target CDK5 are small molecules targeting the ATP-binding pocket such as Roscovitine, as well as some peptides targeting the CDK5/p25 interface. However, the latter have severe drawbacks such as lack of specificity, development of resistance and poor pharmacokinetic properties. An alternative strategy is to develop allosteric modulators that disrupt the conformational transitions leading to CDK5 activation. Our laboratory has developed the CDKCONF5 biosensor which has allowed the identification of allosteric modulators of CDK5, including ethaverine and papaverine. These molecules were initially described as inhibitors of PDE4 and PDE10 in the neuronal system. During my thesis I characterized the molecular mechanism by which these molecules target and inhibit CDK5 functions. I first sought to understand how these inhibitors affect the interactions of CDK5 between its partners and substrates through in vitro assays and in glioblastoma-derived cell extracts. I then characterized the inhibitory potential of these compounds in human glioblastoma and lung cancer cell lines, which allowed us to show that these compounds inhibit cell proliferation and migration. Finally, we highlighted a p53-dependence on their CDK5 inhibitory potential. The identification of allosteric inhibitors of CDK5 by repositioning compounds offers attractive perspectives to propose effective therapies for lung cancer