Cyclin-abhängige Kinase-9 (CDK9) ist eine Serin/Threonin-Proteinkinase, die eine wichtige Rolle bei der Zelltranskription spielt. Ihre Aktivierung kann die C-terminale Domäne der RNA-Polymerase II sowie einige Transkriptionsfaktoren phosphorylieren und dadurch die Transkriptionsverlängerung fördern.

Abbildung 1. Proteinstruktur von CDK9.

CDK9-Inhibitor

CDKs wurden ursprünglich als Schlüsselfaktor der Zellzyklusregulation entdeckt. Da kleine Molekül-CDK-Inhibitoren anti-proliferative Effekte auf Zellen haben, gelten sie als Verbindungen mit Potenzial für die Krebsbehandlung, aber neuere Studien haben gezeigt, dass CDK-Inhibitoren auch andere Effekte besitzen. Aufgrund der erhöhten Expression und Aktivität von CDK9 bei kardialer 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 Flavonoid-Alkaloid-CDK9-Kinase-Inhibitor, der sich in klinischer Entwicklung bei Tolero Pharmaceuticals, Inc. befindet und in der klinischen Entwicklung untersucht wurde. Sein Einsatz bei der Behandlung von Arthritis und der Bildung atherosklerotischer Plaques wurde ebenfalls untersucht. Positiver Transkriptionsverlängerungsfaktor P-TEFb. Die Behandlung von Zellen mit Flavon-Piperidol kann zu einer Hemmung von P-TEFb und einer verringerten 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 durch Angiotensin II verursachte hypertrophe Wachstum von Kardiomyozyten signifikant hemmen und auch die Proteinsynthese, E2F-abhängige Transkription, DNA-Synthese und nukleare Replikation wirksam hemmen. Die anti-hypertrophe Aktivität von Roscovitine hemmte CDK2 nicht, da die Expression nicht-funktioneller CDK2-Mutanten keinen Einfluss auf hypertrophe Zellen hatte. Der molekulare Wirkmechanismus von Roscovitine ist noch nicht vollständig geklärt.

Abbildung 3. Chemische Struktur von Roscovitine.

CDK9-Interaktion mit Inhibitor

Die meisten kleinen Molekül-Inhibitoren der CDKs sind ATP-kompetitiv und binden zwischen den Spalten 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. Zusätzlich zur 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 aufgeklärt wurde, wurde das Strukturmodell von CDK9 verwendet, um die Interaktion zwischen CDK9 und Flavopiridol oder CAN508 zu untersuchen (Flavopiridol und CAN508 sind jeweils ausgereifte und wirksame Inhibitoren von CDK9).

CDK9 und kardiale Hypertrophie

Myokardhypertrophie ist eine grundlegende Reaktion von Herzmuskelzellen auf Hypertonie, Klappenerkrankungen, akuten Myokardinfarkt und angeborene Herzerkrankungen. Sie ist ein unabhängiger Risikofaktor, der die Mortalität 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 durch hypertrophe Stimulation induzierten Herzmuskelzellen und spielen eine wichtige Rolle bei der kardialen Hypertrophie. Die Hypertrophie von Herzmuskelzellen kann auf eine erhöhte Proteinsynthese zurückgeführt werden, die durch einen Anstieg des gesamten intrazellulären RNA-Gehalts verursacht wird, und die RNA-Polymerase II (RNA polymerase II, RNAPⅡ), die für die Transkription von RNA verantwortlich ist, gilt als limitierender Faktor für die kardiale Hypertrophie, insbesondere im hochpolymerisierten Heptapeptid-Motiv. Die phosphorylierte Serin-2-C-terminale Domäne exprimiert vollständig verlängerte RNAP II und steht in engem Zusammenhang mit der kardialen Hypertrophie. Die Prototyp-Kinase, die die Phosphorylierung von Serin 2 katalysiert, ist der positive Transkriptionsverlängerungsfaktor B (P-TEFb). Zusätzlich zu phosphoryliertem Serin 2 löst P-TEFb auch die Transkriptionsverlängerung aus, indem es die hemmende Wirkung des negativen Elongationsfaktors long überwindet. P-TEFb bindet üblicherweise an Hitzeschockprotein 70, JunB, mitogen-aktivierte Proteinkinase-Phosphatase-Gene oder andere proximale Promotorregionen, die RNAs transkribieren. Aktives P-TEFb besteht aus CDK9 und Cyclin T1, T2a oder T2b, während 7SK small nuclear RNNA (7SK snRNA), sechs methylenbisacetamid-induzierbares Protein 1, Hexim1, 7SK snRNA Methylphosphat und La-related protein 7 ein "großes" Komplex-Capping-Enzym bilden, das die P-TEFb-Aktivität hemmt.

Referenz:

1. MacLachlan TK; et al. Bindung von CDK9 an TRAF2. J. Cell. Biochem. 1998, 71 (4): 467–78.