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

Abbildung 1. Proteinstruktur von CDK9.

CDK9-Inhibitor

CDKs wurden ursprünglich als Schlüsselkomponente der Zellzyklusregulation identifiziert. Da niedermolekulare CDK-Inhibitoren antiproliferative Effekte auf Zellen zeigen, gelten sie als Wirkstoffkandidaten mit Potenzial für die Krebstherapie; neuere Studien haben jedoch gezeigt, dass CDK-Inhibitoren auch weitere Effekte besitzen. Aufgrund der erhöhten Expression und Aktivität von CDK9 bei kardialer Hypertrophie wurde von einigen Forschenden vorgeschlagen, CDK9-Inhibitoren als therapeutischen Ansatz zur Behandlung der kardialen Hypertrophie einzusetzen. Bis heute wurden 30 CDK9-Inhibitoren identifiziert.

Alvocidib

Alvocidib ist ein flavonoidisches Alkaloid und CDK9-Kinaseinhibitor, der von Tolero Pharmaceuticals, Inc. klinisch entwickelt wird und in klinischen Studien untersucht wurde. Auch sein Einsatz zur Behandlung von Arthritis sowie zur Hemmung der Bildung atherosklerotischer Plaques wurde untersucht. Positiver Transkriptionselongationsfaktor P‑TEFb. Die Behandlung von Zellen mit Flavopiridol kann zu einer Hemmung von P‑TEFb und zu einer verminderten mRNA-Produktion führen.

Abbildung 2. Chemische Struktur von Alvocidib.

Roscovitine

Roscovitine ist ein pan-spezifischer CDK-Inhibitor, der die Produktion von Boten-RNA (mRNA) deutlich hemmt, insbesondere über CDK7 und CDK9, die an der C‑terminalen Domäne von RNAPII phosphorylieren und sehr empfindlich gegenüber Roscovitine sind. Roscovitine ist der einzige CDK-Inhibitor, der in einem kardialen Mastzellmodell getestet wurde. Roscovitine kann das durch Angiotensin‑II‑Behandlung verursachte hypertrophe Wachstum von Kardiomyozyten signifikant hemmen und zudem die Proteinsynthese, E2F-abhängige Transkription, DNA-Synthese sowie die nukleäre Replikation wirksam inhibieren. Die antihypertrophe Aktivität von Roscovitine beruhte nicht auf einer Hemmung von CDK2, da die Expression nicht-funktionaler CDK2-Mutanten hypertrophe Zellen nicht beeinflusste. Der molekulare Wirkmechanismus von Roscovitine ist bislang nicht vollständig aufgeklärt.

Abbildung 3. Chemische Struktur von Roscovitine.

Interaktion von CDK9 mit Inhibitoren

Die meisten niedermolekularen Inhibitoren von CDKs sind ATP-kompetitiv und binden in der Spalte zwischen den beiden Domänen. Die meisten Inhibitoren binden über hydrophobe Wechselwirkungen; Inhibitoren, die an CDK2 binden, akzeptieren jedoch zusätzlich eine Wasserstoffbrücke am Stickstoff des Leu83-Rückgrats und tragen eine weitere Wasserstoffbrücke zum Carbonyl-Rückgrat von Glu81 bei. Einige Inhibitoren binden zudem an das Rückgrat über eine dritte Wasserstoffbrücke an der Carbonylgruppe von 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 aufgeklärt wurde, wurde das Strukturmodell von CDK9 zur Untersuchung der Interaktion zwischen CDK9 und Flavopiridol bzw. CAN508 verwendet (Flavopiridol und CAN508 sind jeweils etablierte und wirksame Inhibitoren von CDK9).

CDK9 und kardiale Hypertrophie

Myokardhypertrophie ist eine grundlegende Reaktion von Myokardzellen auf Hypertonie, Klappenerkrankungen, akuten Myokardinfarkt und angeborene Herzerkrankungen. Sie ist ein unabhängiger Risikofaktor, der Mortalität und Inzidenz kardiovaskulärer Erkrankungen beeinflusst. Pathologische Myokardhypertrophie ist das Ergebnis eines Ungleichgewichts zwischen dem Wachstum von Kardiomyozyten und Koronararterien. Kardiale Transkriptionsfaktoren regulieren direkt die Genexpression von Herzmuskelzellen, die durch hypertrophe Stimuli induziert wird, und spielen eine wichtige Rolle bei der kardialen Hypertrophie. Die Hypertrophie kardialer Zellen kann auf eine gesteigerte Proteinsynthese infolge einer Zunahme des gesamten intrazellulären RNA-Gehalts zurückgeführt werden, und die RNA‑Polymerase II (RNAPII), die für die Transkription kodierender RNAs verantwortlich ist, gilt als limitierender Faktor für die kardiale Hypertrophie, insbesondere da im hochkonservierten Heptapeptidmotiv die phosphorylierte Serin‑2‑C‑terminale Domäne vollständig elongierte RNAP II repräsentiert und eng mit kardialer Hypertrophie assoziiert ist. Die Prototyp-Kinase, die die Phosphorylierung von Serin 2 katalysiert, ist der positive Transkriptionselongationsfaktor B (P‑TEFb). Neben der Phosphorylierung von Serin 2 initiiert P‑TEFb die Transkriptionselongation auch dadurch, dass es die inhibitorische Wirkung des negativen Elongationsfaktors überwindet. P‑TEFb bindet üblicherweise an Heat‑Shock‑Protein 70, JunB, Gene der Mitogen-aktivierten Proteinkinase-Phosphatase oder andere proximale Promotorregionen, die RNAs transkribieren. Aktives P‑TEFb besteht aus CDK9 und Cyclin T1, T2a oder T2b, während 7SK small nuclear RNA (7SK snRNA), das durch Hexamethylenbisacetamid induzierbare Protein 1 (Hexim1), 7SK snRNA Methylphosphat und La-related Protein 7 einen „großen“ Komplex mit Capping-Enzym bilden, der die P‑TEFb-Aktivität hemmt.

Referenz:

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