GCN2 (Generally Uncontrollable 2) ist eine Serin/Threonin-Proteinkinase, die einen Aminosäuremangel durch Bindung an ungeladene Transfer-RNA (tRNA) erkennt.  GCN2 ist die einzige in Saccharomyces cerevisiae bekannte Kinase des eukaryotischen Initiationsfaktors 2α (eIF2α) und spielt eine Schlüsselrolle bei der Regulation des Aminosäurestoffwechsels. Unter Bedingungen des Aminosäureentzugs inaktiviert sie eIF2α durch Phosphorylierung an Serin 51, wodurch die Synthese allgemeiner Proteine gehemmt wird; gleichzeitig wird aufgrund der upstream gelegenen Region der kodierenden Sequenz eine selektive mRNA (z. B. GCN4) translatiert.  Erhöhte GCN4-Spiegel stimulieren die Expression von Genen der Aminosäurebiosynthese, die für die Enzyme kodieren, die zur Synthese aller 20 proteinogenen Aminosäuren erforderlich sind.

Abbildung 1. Serin/Threonin-Proteinkinase GCN2.

Regulation

In aminosäurereichen Zellen bleibt GCN2 durch Phosphorylierung von Serin an Position 577 inaktiviert; dies gilt als TORC1-aktivitätsabhängig. Die Inaktivierung von TORC1 durch Rapamycin beeinflusst GCN2 und wirkt sich zumindest teilweise auf die Dephosphorylierung von Serin 577 aus. Ein zweiter aktivierender Input für GCN2 erfolgt über den GCN1/GCN20-Komplex. GCN1/GCN20 weist eine strukturelle Ähnlichkeit zu eEF3 auf, einem wichtigen Faktor für die tRNA-Bindung an Ribosomen. Der GCN1/GCN20-Komplex interagiert physisch mit GCN2, indem er an dessen N‑Terminus bindet. Es wird angenommen, dass GCN1/GCN20 den Transfer von tRNA von der ribosomalen A‑Stelle auf die HisRS‑ähnliche Domäne von GCN2 fördert. Ein dritter Regulationsweg erfolgt über das konservierte Protein IMPACT, das in Hefe, Nematoden und Säugetieren als GCN2-Inhibitor wirkt.

Funktionen

GCN2 hemmt die allgemeine Translation, indem es eIF‑2α innerhalb von 15 Minuten nach Aminosäureentzug an Serin 51 phosphoryliert, und erhöht anschließend die Affinität des Guanin-Nukleotid-Austauschfaktors eIF2B zu chelatiertem eIF‑2α, wodurch die für die Translationsinitiation erforderlichen Sequenzen von eIF2, GTP und der initiierenden Met‑tRNA reduziert werden. eIF2, das eine phosphorylierte Alpha-Untereinheit enthält, weist eine erhöhte Affinität zu seinem einzigen GEF eIF2B auf; eIF2B kann jedoch GTP nur bei unphosphoryliertem eIF2 gegen GDP austauschen. Dadurch wird der für die Bildung des ternären Komplexes (TC) erforderliche eIF2-Zyklus durch die eIF‑2α‑Phosphorylierung gehemmt, was letztlich zu einer Abnahme der globalen Translationsrate führt. Der gegenteilige Effekt der verminderten TC-Verfügbarkeit ist die Induktion der GCN4-Expression durch translationale Regulation. Im Leader der GCN4-mRNA befinden sich vier kurze ORFs. Die 40S-ribosomale Untereinheit scannt von der 5'-mRNA, bindet an den TC und translatiert den ersten upstream offenen Leserahmen (uORF). Unter Nicht-Hungerbedingungen sind ausreichend ternäre Komplexe vorhanden, sodass sich die Untereinheiten vor Erreichen von uORF 4 wieder zusammenlagern können. Die Translation wird erneut initiiert, uORF2, 3 oder 4 wird translatiert, und die 40S-Untereinheit dissoziiert anschließend von der GCN4-mRNA. Unter Hungerbedingungen ist der TC-Gehalt deutlich niedriger. Einige 40S-Untereinheiten können vor Erreichen von uORF 4 keinen TC reassoziieren, reassoziieren jedoch schließlich einen TC, bevor sie die kodierende Sequenz von GCN4 erreichen. Daher führt die durch Aminosäurestarvation ausgelöste Aktivierung von GCN2 zu einer Reduktion der TC-Bildung und damit zur Induktion der GCN4-Translation. GCN4 ist ein zentraler Regulator der Aminosäurestarvation, bezeichnet als General Amino Acid Control (GAAC). Es fungiert als Transkriptionsfaktor und aktiviert mehrere für die Aminosäuresynthese erforderliche Gene. Kürzlich wurde zudem gezeigt, dass GCN2 das Essverhalten von Säugetieren durch Phosphorylierung von eIF‑2α im anterioren piriformen Kortex (APC) des Gehirns beeinflusst. Der molekulare Mechanismus, der diese Funktion steuert, ist unklar; ein basischer Leucin-Zipper-Transkriptionsfaktor namens ATF4 ist jedoch ein möglicher Kandidat.

Referenz

1. Zaborske JM; et al. Genome-wide analysis of tRNA charging and activation of the eIF2 kinase Gcn2p. J Biol Chem. 2009, 284 (37): 25254-67.