GCN2 (Allgemein Unkontrollierbar 2) ist eine Serin/Threonin-Protein-Kinase, die Aminosäuremangel erkennt, indem sie an unmodifiziertes Transfer-RNA (tRNA) bindet.  GCN2 ist der einzige eukaryotische Initiationsfaktor 2α-Kinase (eIF2α), der in Saccharomyces cerevisiae bekannt ist, und spielt eine Schlüsselrolle bei der Regulierung des Aminosäurestoffwechsels. Es inaktiviert eIF2α durch Phosphorylierung an Serin 51 unter Bedingungen des Aminosäuremangels, wodurch die Synthese allgemeiner Proteine gehemmt wird, während gleichzeitig die ausgewählte mRNA (wie GCN4) aufgrund des upstream-Bereichs der kodierenden Sequenz übersetzt wird.  Erhöhte GCN4-Spiegel stimulieren die Expression von Genen der Aminosäurebiosynthese, die die Enzyme kodieren, die benötigt werden, um alle 20 wichtigen Aminosäuren zu synthetisieren.

Abbildung 1. Serin/Threonin-Protein-Kinase GCN2.

Regulationen

In aminosaureichen Zellen bleibt GCN2 durch Phosphorylierung von Serin an Position 577 inaktiv, was als abhängig von der TORC1-Aktivität angesehen wird. Die Inaktivierung von TORC1 durch Rapamycin beeinflusst GCN2 und wirkt sich zumindest teilweise auf die Dephosphorylierung von Serin 577 aus. Der zweite stimulierende Input von GCN2 erfolgt durch den GCN1/GCN20-Komplex. GCN1/GCN20 zeigt strukturelle Ähnlichkeit zu eEF3, 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 zum HisRS-ähnlichen Bereich von GCN2 fördert. Ein dritter Weg, dieses Protein zu regulieren, ist durch das konservierte Protein IMPACT, das als GCN2-Inhibitor in Hefen, Nematoden und Säugetieren wirkt.

Funktionen

GCN2 hemmt die allgemeine Translation, indem es eIF-2α innerhalb von 15 Minuten nach Aminosäuremangel an Serin 51 phosphoryliert und anschließend die Affinität des Guanin-Austauschfaktors eIF2B für chelatiertes eIF-2α erhöht, wodurch der Bedarf an Initiation der Translation verringert wird. Die Sequenzen von eIF2, GTP und dem startenden Met-tRNA. EIF2, das eine phosphorylierte Alpha-Untereinheit enthält, hat eine erhöhte Affinität zu seinem einzigen GEF eIF2B, aber eIF2B kann nur GPH gegen GDP mit unphosphoryliertem eIF2 austauschen. Daher wird der Zyklus von eIF2, der für die TC-Bildung erforderlich ist, durch die Phosphorylierung von eIF-2α gehemmt, was letztendlich zu einer Verringerung der Gesamtübersetzungsrate führt. Der gegenteilige Effekt der reduzierten TC-Verfügbarkeit ist die Induktion der GCN4-Expression durch translationale Regulation. Es gibt vier kurze ORFs in der GCN4-mRNA-Leiter. Die 40S-ribosomale Untereinheit wurde von der 5'-mRNA gescannt, um an TC zu binden und den ersten upstream offenen Leserahmen (uORF) zu übersetzen. Unter Nicht-Hungersnotbedingungen gibt es genügend ternäre Komplexe, um den Untereinheiten zu ermöglichen, sich wieder zu kombinieren, bevor sie uORF 4 erreichen. Die Translation wurde erneut initiiert, und uORF2, 3 oder 4 wurde übersetzt, und die 40S-Untereinheit wurde dann von der GCN4-mRNA getrennt. Unter Hungerbedingungen ist der TC-Gehalt noch niedriger. Einige 40S-Untereinheiten konnten TC nicht wieder kombinieren, bevor sie uORF 4 erreichten, kombinierten jedoch schließlich TC, bevor sie die kodierende Sequenz von GCN4 erreichten. Daher führt die Aktivierung von GCN2 durch Aminosäuremangel zu einer Verringerung der TC-Bildung, was zur Induktion der GCN4-Translation führt. GCN4 ist ein wichtiger Regulator des Aminosäuremangels, der als allgemeine Aminosäurekontrolle (GAAC) bezeichnet wird. Es fungiert als Transkriptionsfaktor und aktiviert mehrere Gene, die für die Aminosäuresynthese erforderlich sind. Kürzlich hat GCN2 auch das Essverhalten von Säugetieren geleitet, indem es eIF-2α im anterioren piriformen Kortex (APC) des Gehirns phosphoryliert hat. Der molekulare Mechanismus, der diese Funktion steuert, ist unklar, aber ein grundlegender Zipper-Transkriptionsfaktor namens ATF4 ist 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.