Cyclin-abhängige Kinase 7 ist ein Enzym, das beim Menschen durch das CDK7-Gen kodiert wird. CDK-Monomere sind nicht aktiv und müssen mit den entsprechenden Cyclinen zu aktiven Isoformen assoziieren. Dimerkomplexe übernehmen eine regulatorische Funktion bei der Katalyse der Phosphorylierung entsprechender Substrate, treiben die verschiedenen Prozesse des Zellzyklus voran, schließen DNA-Synthese und Mitose sequenziell ab und führen zu Zellwachstum und -proliferation. Im menschlichen Genom wurden 21 CDKs und mehr als 15 Cycline identifiziert. Entsprechend ihrer Funktion lassen sich CDKs in zwei Kategorien einteilen: CDKs, die den Zellzyklus steuern, und CDKs, die an der Transkription beteiligt sind. Dabei stehen CDK1/2/4/6 vor allem im Zusammenhang mit der Replikation genetischer Information im Rahmen der Zellzyklusregulation, während CDK7/8/9/10 primär mit dem Transkriptionsmechanismus intrazellulärer genetischer Information assoziiert sind.

Abbildung 1. Proteinstruktur von CDK7.

Einführung

CDK7 besitzt eine CDK-aktivierende Kinasefunktion. Der CDK-activating kinase (CAK)-Komplex, bestehend aus CDK7, Cyclin H und MAT1, kann verschiedene an der Zellzyklusregulation beteiligte CDKs (1, 2, 4, 6) phosphorylieren. Beispielsweise dominieren CDK2, das den Zellzyklus in die S-Phase überführt, und CDK1, das den Eintritt in die Mitose steuert, Initiation, Progression und Abschluss des Zellzyklus. Andererseits ist CDK7 wesentlich an der Regulation der Transkription beteiligt und kann Serinreste an den Positionen 5 und 7 der C-terminalen Domäne (CTD) der großen Untereinheit der RNA-Polymerase II phosphorylieren, was die Initiation der Transkription fördert. Zunehmend zeigen Studien, dass CDK7 eng mit der Entstehung von Tumorerkrankungen wie Leukämie, triple-negativem Mammakarzinom, kleinzelligem Lungenkarzinom, Magenkarzinom und Neuroblastom assoziiert ist. Daher gilt CDK7 als potenzielles Arzneimittelziel (Drug Target) für die Behandlung maligner Tumoren.

Strukturelle Merkmale von CDK7

CDK7 weist die klassische Proteinkinase-Faltung auf, einschließlich eines N-terminalen (Aminosäurereste 13–96) und eines C-terminalen (Aminosäurereste 97–311) Kinase-Lobus. Der N-terminale Kinase-Lobus besteht überwiegend aus β-Faltblattstrukturen und einer α-Helix, während der C-terminale Kinase-Lobus hauptsächlich aus α-Helices aufgebaut ist. Zwischen den Aminosäureresten 44 bis 55 des N-terminalen Kinase-Lobus befindet sich eine Lücke, die der Verbindung zwischen der β3-Faltung und der α-Helix entspricht. Darüber hinaus enthalten die Aminosäurereste 1 bis 12 sowie 312 bis 346 eine potenzielle nukleäre Lokalisierungssequenz. Die ATP-Bindungsstelle liegt zwischen N- und C-terminalem Kinase-Lobus und ist hoch konserviert. Die αC-Helix der N-terminalen Kinasedomäne enthält NRTALRE-ähnliche Sequenzen, die anderen CDK-Familien-Subtypen entsprechen, welche an Cyclin-ähnliche PSTAIRE-Sequenzen binden.

Biologische Funktion und Mechanismus von CDK7

Als wichtiges Mitglied der CDK-Familie ist CDK7 an der Bildung des binären CDK7–Cyclin-H-Komplexes oder des ternären CDK7–Cyclin-H–MAT1-Komplexes beteiligt, der durch Phosphorylierung aktiviert wird und aktives CAK erzeugt, das eine wesentliche Rolle im Zellzyklus, in der Transkription und in der DNA-Schadensreparatur spielt. CDK7–Cyclin H–MAT1 ist zudem eine Untereinheit des universellen Transkriptionsfaktors TFIIH. TFIIH besteht aus zehn Untereinheiten, von denen sieben (p62, p52, p44, p34, XPD, XPB und TTDA) die Kernstruktur bilden. Nach Interaktion mit XPD wird der Komplex mit der Kernstruktur von TFIIH assoziiert. Der RNA-Transkriptionsprozess lässt sich in drei Phasen unterteilen: Initiation, Elongation und Termination. In der Initiationsphase wirkt die DNA-Helikase in TFIIH auf das DNA-Fragment des Core-Promotors, und CDK7 kann Serinreste an den Positionen 5 und 7 der CTD der RNA-Polymerase II phosphorylieren, was die Promotorfreigabe (promoter clearance) fördert und den Transkriptionsstart weiter unterstützt. Die Aktivierung von CDK7 kann das Ablösen des Transkriptionsfaktors TFIHI sowie die Rekrutierung des nukleosidanalogen DRB-sensitiven Induktionsfaktors (DSIF) und des negativen Elongationsfaktors (NELF) fördern, was zu einer transkriptionellen Termination in Promotornähe führt. CDK7 aktiviert CDK9 durch Phosphorylierung der T-Loop-Region von CDK9. Das aktivierte CDK9 phosphoryliert den Serinrest an Position 2 der CTD der RNA-Polymerase II und phosphoryliert zudem die RD-Untereinheit von NELF sowie die SPT5-Untereinheit von DSIF. NELF dissoziiert, wodurch die Transkription in die Elongation übergehen kann. CDK7 übernimmt damit eine scheinbar widersprüchliche Funktion bei der Etablierung und Auflösung der transkriptionellen Pause. Tatsächlich dient diese kurze Pause vor der Rekrutierung von Transkriptions-Elongationsfaktoren und der Aktivierung von CDK9 der effizienteren Förderung der Transkription.

Referenz:

1. Fisher RP; et al. A novel cyclin associates with MO15/CDK7 to form the CDK-activating kinase. Cell. 1994, 78 (4): 713–24