GCN2 (Generally Uncontrollable 2) ist eine Serin/Threonin-Proteinkinase, die Aminosäuremangel erkennt, indem sie an ungeladenes Transfer-RNA (tRNA) bindet.  GCN2 ist der einzige bekannte eukaryotische Initiationsfaktor 2α-Kinase (eIF2α) in Saccharomyces cerevisiae und spielt eine Schlüsselrolle bei der Regulierung des Aminosäurestoffwechsels. Sie inaktiviert eIF2α durch Phosphorylierung an Serin 51 unter Bedingungen des Aminosäuremangels, wodurch die Synthese allgemeiner Proteine gehemmt wird. Gleichzeitig wird die ausgewählte mRNA (wie GCN4) aufgrund des upstream-Bereichs der codierenden Sequenz translatiert.  Erhöhte GCN4-Spiegel stimulieren die Expression von Genen der Aminosäurebiosynthese, die die Enzyme codieren, die für die Synthese aller 20 Hauptaminosäuren benötigt werden.

Abbildung 1. Serin/Threonin-Proteinkinase GCN2.

Regulationen

In aminosäurereichen Zellen bleibt GCN2 durch Phosphorylierung von Serin an Position 577 inaktiviert, was vermutlich von der TORC1-Aktivität abhängt. 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 physikalisch mit GCN2, indem er an dessen N-Terminus bindet. Es wird angenommen, dass GCN1/GCN20 den Transfer von tRNA von der ribosomalen A-Stelle zur HisRS-ähnlichen Domäne von GCN2 fördert. Eine dritte Möglichkeit, dieses Protein zu regulieren, ist das konservierte Protein IMPACT, das als GCN2-Inhibitor in Hefe, Nematoden und Säugetieren wirkt.

Funktionen

GCN2 hemmt die allgemeine Translation, indem es eIF-2α an Serin 51 innerhalb von 15 Minuten nach Aminosäuremangel phosphoryliert und anschließend die Affinität des Guanin-Austauschfaktors eIF2B für chelatiertes eIF-2α erhöht, wodurch der Bedarf an Translationsinitiations-Sequenzen von eIF2, GTP und der startenden Met-tRNA reduziert wird. EIF2, das eine phosphorylierte Alpha-Untereinheit enthält, hat eine erhöhte Affinität zu seinem einzigen GEF eIF2B, aber eIF2B kann GPH nur mit GDP bei unphosphoryliertem eIF2 austauschen. Daher wird der für die TC-Bildung erforderliche Zyklus von eIF2 durch die Phosphorylierung von eIF-2α gehemmt, was letztlich zu einer Verringerung der allgemeinen Translationsrate führt. Der gegenteilige Effekt der reduzierten TC-Verfügbarkeit ist die Induktion der GCN4-Expression durch translationale Regulation. Im Leader der GCN4-mRNA befinden sich vier kurze ORFs. Die 40S-Ribosomen-Untereinheit wird vom 5'-mRNA-Ende gescannt, um an TC zu binden und das erste upstream-offene Leserahmen (uORF) zu translieren. Unter Nicht-Hungerbedingungen gibt es genügend ternäre Komplexe, damit die Untereinheiten vor Erreichen von uORF 4 wieder zusammenkommen können. Die Translation wurde erneut initiiert, und uORF2, 3 oder 4 wurde translatiert, woraufhin sich die 40S-Untereinheit von der GCN4-mRNA trennte. Unter Hungerbedingungen ist der TC-Gehalt noch niedriger. Einige 40S-Untereinheiten konnten TC vor Erreichen von uORF 4 nicht wieder zusammenbringen, rekombinierten TC jedoch schließlich vor Erreichen der GCN4-codierenden Sequenz. Daher führt die durch Aminosäuremangel verursachte GCN2-Aktivierung zu einer Reduktion der TC-Bildung, was zur Induktion der GCN4-Translation führt. GCN4 ist ein Hauptregulator des Aminosäuremangels, genannt General Amino Acid Control (GAAC). Es fungiert als Transkriptionsfaktor und aktiviert mehrere Gene, die für die Aminosäuresynthese erforderlich sind. Kürzlich wurde gezeigt, dass GCN2 auch das Fressverhalten von Säugetieren steuert, indem es eIF-2α im anterioren piriformen Cortex (APC) des Gehirns phosphoryliert. 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. Genomweite Analyse der tRNA-Beladung und Aktivierung der eIF2-Kinase Gcn2p. J Biol Chem. 2009, 284 (37): 25254-67.