Die Kinase des eukaryotischen Elongationsfaktors 2 (eEF2K) ist eines der wenigen atypischen Mitglieder der „Alpha‑Kinase“-Familie. Sie phosphoryliert und inhibiert den eukaryotischen Elongationsfaktor 2 und verlangsamt dadurch die Elongationsphase der Proteinsynthese, die üblicherweise einen hohen Verbrauch an Energie und Aminosäuren verursacht. Die Aktivität von eEF2K ist in der Regel von Calcium und Calmodulin abhängig. eEF2K wird zudem durch eine Reihe weiterer Eingangssignale reguliert, unter anderem durch hemmende Signale stromabwärts anaboler Signalwege, wie z. B. des mammalian target of rapamycin complex 1 (mTORC1). Aktuelle Daten zeigen, dass eEF2K Krebszellen vor Nährstoffentzug schützt und auch in anderen Situationen zytoprotektive Effekte entfaltet, einschließlich Hypoxie. Zunehmende Evidenz belegt zudem eine Rolle von eEF2K in neurologischen Prozessen (z. B. Lernen und Gedächtnis) sowie bei Depressionen.

eEF2K ist eine atypische „Alpha‑Kinase“

Die Kinase des eukaryotischen Elongationsfaktors 2 (eEF2K) gehört zu einer Gruppe atypischer Proteinkinasen, den sogenannten „Alpha‑Kinasen“, die im menschlichen Genom sechs Mitglieder umfasst. Alpha‑Kinasen weisen keine Sequenzhomologie zur großen Proteinkinase‑Superfamilie auf, zeigen jedoch eine begrenzte dreidimensionale strukturelle Ähnlichkeit. eEF2K ist die einzige Alpha‑Kinase, deren Aktivität von Ca²⁺-Ionen abhängt. Das einzige bekannte Substrat von eEF2K ist der eukaryotische Elongationsfaktor 2 (eEF2). Über die Regulation der Aktivität der übrigen fünf Familienmitglieder sowie über deren Substrate ist wenig bekannt. Da die Phosphorylierung von eEF2 an Thr56 seine Bindung an das Ribosom schwächt, wirkt eEF2K als Inhibitor von eEF2 und verlangsamt dadurch die Elongationsrate. Diese Aminosäureposition ist zusammen mit den benachbarten Sequenzen stark konserviert, sogar in keimender Hefe. Homologe von eEF2K sind jedoch in vielen Eukaryoten, etwa Pilzen, Pflanzen und Arthropoden, nicht vorhanden. Die in Nematoden und Hefe vorkommenden eEF2‑Homologe können am äquivalenten Thr56 durch andere Kinasen, z. B. Rck2, phosphoryliert werden. Calmodulin (CaM) vermittelt die Ca²⁺-abhängige Aktivierung von eEF2K. Calmodulin (CaM) kann bis zu vier Ca²⁺-Ionen binden und interagiert mit Regionen nahe dem N‑Terminus der katalytischen Domäne von eEF2K. Der Mechanismus, über den Ca²⁺/CaM eEF2K aktiviert, ist nicht bekannt. Bei einigen anderen Ca/CaM‑Kinasen erfolgt die Aktivierung durch Entfernung einer autoinhibitorischen Helixstruktur aus dem aktiven Zentrum. Ob eEF2K ein solches regulatorisches Motiv enthält, ist jedoch unklar. Der Gesamtaufbau von eEF2K ist in Abbildung 1 dargestellt. Die Entfernung einer Region von etwa 80 Aminosäureresten am N‑Terminus des CaM‑Bindemotivs kann die eEF2K‑Aktivität erhöhen, was darauf hindeutet, dass dieser Abschnitt eine regulatorische Funktion haben könnte. Die katalytische Domäne umfasst beim Menschen etwa die Aminosäurereste 125–320. Der C‑Terminus enthält die für die Aktivität erforderliche Autophosphorylierungsstelle (Thr348). Bei der Myosin‑Schwerketten‑Kinase A (MHCK A) aus Dictyostelium discoideum, einer weiteren Alpha‑Kinase, scheint der entsprechende Rest (ebenfalls ein autophosphoryliertes Threonin) in einer „Phosphat‑Bindetasche“ zu verankern und so die aktive Konformation zu stabilisieren. Sequenzalignments deuten darauf hin, dass ein ähnlicher Mechanismus auch für eEF2K gelten könnte. eEF2K wird zudem an weiteren Stellen autophosphoryliert, darunter Ser445 und Ser500 (wie in einem Bericht beschrieben).

Kontrolle der Stabilität von eEF2K

Das eEF2K‑Protein wird unter Normoxie in Brustkrebszellen oder als Reaktion auf eine Inhibition von Hsp90 über proteasomabhängige Signalwege abgebaut; Hsp90 fungiert dabei als Chaperon/Interaktionspartner von eEF2K. Nach genotoxischem Stress wird eEF2K aktiviert und anschließend erneut über einen proteasomabhängigen Mechanismus degradiert. Die Autoren zeigen, dass dieser Abbau die Ubiquitin‑Ligase SCF(βTrCP) (Skp1‑Cul1‑F‑Box‑Protein; ein Protein mit β‑Transducin‑Repeats) erfordert. Es wird angenommen, dass die rasche Aktivierung von eEF2K eine vorübergehende Verlangsamung der Proteinsynthese bewirken kann. Der nachfolgende Abbau von eEF2K ist erforderlich, damit die Zellen wieder in den Zellzyklus eintreten können. In diesem Kontext setzt die Degradation von eEF2K eine Autophosphorylierungsstelle an Ser445 voraus, die Teil eines typischen βTrCP‑Bindemotivs (Phosphodegron) ist. Da solche Motive üblicherweise zwei phosphorylierte Reste enthalten, ist es wahrscheinlich, dass auch die Phosphorylierung von Ser441 bei eEF2K für den Abbau über diesen Mechanismus erforderlich ist. In vielen Fällen wird eine transiente Aktivierung von eEF2K beobachtet, gefolgt von dessen Abbau, was zu einer Abnahme der eEF2‑Phosphorylierung führt. Weitere Arbeiten sind erforderlich, um die Funktion der transient erhöhten eEF2‑Phosphorylierung zu verstehen.

Referenz

1. Kenney J W; et al. Eukaryotic elongation factor 2 kinase, an unusual enzyme with multiple roles. Advances in Biological Regulation, 2014, 55:15-27.