Cyclin-dependent kinase-9 (CDK9) ist eine Serin/Threonin-Protein-Kinase, die eine wichtige Rolle bei der Zelltranskription spielt. Ihre Aktivierung kann die C-terminale Domäne der RNA-Polymerase II und einiger Transkriptionsfaktoren phosphorylieren und dann die Transkriptionserweiterung fördern.

Abbildung 1. Proteinstruktur von CDK9.

CDK9-Inhibitor

CDKs wurden ursprünglich als Schlüsselkomponente der Zellzyklusregulation entdeckt. Da kleine Molekül-CDK-Inhibitoren anti-zellproliferative Effekte haben, gelten sie als Verbindungen mit Potenzial für die Krebsbehandlung, aber neuere Studien haben ergeben, dass CDK-Inhibitoren auch andere Effekte haben. Aufgrund der erhöhten Expression und Aktivität von CDK9 bei der kardialen Hypertrophie haben einige Wissenschaftler vorgeschlagen, dass CDK9-Inhibitoren als Methode zur Behandlung der kardialen Hypertrophie eingesetzt werden können. Bis heute wurden 30 CDK9-Inhibitoren entdeckt.

Alvocidib

Alvocidib ist ein flavonoidalkaloid CDK9-Kinase-Inhibitor, der sich in klinischer Entwicklung bei Tolero Pharmaceuticals, Inc. befindet und in der klinischen Entwicklung untersucht wurde. Seine Anwendung zur Behandlung von Arthritis und atherosklerotischen Plaqueformationen wurde ebenfalls untersucht. Positiver Transkriptionserweiterungsfaktor P-TEFb. Die Behandlung von Zellen mit Flavon-Piperidol kann zu einer Hemmung von P-TEFb und einer reduzierten mRNA-Produktion führen.

Abbildung 2. Chemische Struktur von Alvocidib.

Roscovitine

Roscovitine ist ein pan-spezifischer CDK-Inhibitor, der die Produktion von Messenger-RNA signifikant hemmt, insbesondere CDK7 und CDK9, die an der C-terminalen Domäne von RNAPII phosphoryliert werden und sehr empfindlich auf Roscovitine reagieren. Roscovitine ist der einzige CDK-Inhibitor, der in einem kardialen Mastzellmodell getestet wurde. Roscovitine kann das hypertrophe Wachstum von Kardiomyozyten, das durch Angiotensin-II-Behandlung verursacht wird, signifikant hemmen und kann auch effektiv die Proteinsynthese, E2F-abhängige Transkription, DNA-Synthese und nukleare Replikation hemmen. Die anti-hypertrophe Aktivität von Roscovitine hemmte nicht CDK2, da die Expression von nicht-funktionalen CDK2-Mutanten die hypertrophen Zellen nicht beeinflusste. Der molekulare Mechanismus der Wirkung von Roscovitine ist noch nicht vollständig erklärt.

Abbildung 3. Chemische Struktur von Roscovitine.

CDK9-Interaktion mit Inhibitor

Die meisten kleinen Molekülinhibitoren von CDKs sind ATP-kompetitiv und binden zwischen den Lücken der beiden Domänen. Die meisten Inhibitoren sind hydrophob gebunden, aber Inhibitoren, die an CDK2 binden, akzeptieren auch eine Wasserstoffbrücke am Stickstoff des Leu83-Rückgrats und tragen eine weitere Wasserstoffbrücke zum Carbonyl-Rückgrat von Glu81 bei. Einige Inhibitoren binden auch an das Rückgrat der dritten Wasserstoffbrücke der Carbonylgruppe in Leu83. Neben der Bindung an die drei Aminosäuren Threonin, Serin und Valin interagiert der Inhibitor auch mit der Ribosylphosphat-Bindungsstelle der CDKs. Nachdem die Struktur von CDK9 experimentell gelöst wurde, wurde das Strukturmodell von CDK9 verwendet, um die Interaktion zwischen CDK9 und Flavopiridol oder CAN508 zu untersuchen (Flavopiridol und CAN508 sind reife und effektive Inhibitoren von CDK9).

CDK9 und kardiale Hypertrophie

Myokardhypertrophie ist eine grundlegende Reaktion der Myokardzellen auf Bluthochdruck, Klappenerkrankungen, akuten Myokardinfarkt und angeborene Herzkrankheiten. Sie ist ein unabhängiger Risikofaktor, der die Sterblichkeit und Inzidenz von Herz-Kreislauf-Erkrankungen beeinflusst. Pathologische Myokardhypertrophie ist das Ergebnis eines Ungleichgewichts im Wachstum von Kardiomyozyten und Koronararterien. Kardiale Transkriptionsfaktoren regulieren direkt die Genexpression von Herzmuskelzellen, die durch hypertrophische Stimulation induziert wird, und spielen eine wichtige Rolle bei der kardialen Hypertrophie. Die hypertrophe Zellhypertrophie kann auf eine erhöhte Proteinsynthese zurückgeführt werden, die durch einen Anstieg des gesamten intrazellulären RNA-Gehalts verursacht wird, und RNA-Polymerase II (RNA-Polymerase II, RNAPII), die für die Transkription von RNA verantwortlich ist, wird als limitierender Faktor für die kardiale Hypertrophie angesehen, insbesondere im hoch polymerisierten Heptapeptid-Motiv, das phosphorylierte Serin 2 in der C-terminalen Domäne vollständig verlängerte RNAP II exprimiert und eng mit der kardialen Hypertrophie verbunden ist. Die Prototyp-Kinase, die die Phosphorylierung von Serin 2 katalysiert, ist der positive Transkriptionserweiterungsfaktor B (P-TEFb). Neben phosphoryliertem Serin 2 löst P-TEFb auch die Transkriptionserweiterung aus, indem es die hemmende Wirkung des negativen Erweiterungsfaktors long überwindet. P-TEFb bindet normalerweise an Hitzeschockprotein 70, JunB, Mitogen-aktivierte Protein-Kinase-Phosphatase-Gene oder andere proximale Promotorregionen, die RNAs transkribieren. Aktives P-TEFb besteht aus CDK9 und Cyclin T1, T2a oder T2b, während 7SK kleine nukleäre RNA (7SK snRNA), sechs methylenbisacetamid-induzierbare Proteine 1, Hexim1, 7SK snRNA-Methylphosphat und La-verwandtes Protein 7 einen "großen" Komplex bilden, der die Aktivität von P-TEFb hemmt.

Referenz:

1. MacLachlan TK; et al. Binding of CDK9 to TRAF2. J. Cell. Biochem. 1998, 71 (4): 467–78.