Die PEK-Familie, auch als eukaryotische Initiationsfaktoren (eIFs) bezeichnet, umfasst Proteine bzw. Proteinkomplexe, die an der Initiationsphase der eukaryotischen Translation beteiligt sind. Diese Proteine stabilisieren die Bildung von Ribosomen‑Präinitiationskomplexen um das Startcodon und stellen wichtige Determinanten der posttranskriptionellen Genregulation dar. Mehrere Initiationsfaktoren bilden zusammen mit der kleinen 40S‑ribosomalen Untereinheit und Met‑tRNAiMet den sogenannten 43S‑Präinitiationskomplex (43S PIC). Die weiteren Faktoren des eIF4F‑Komplexes (eIF4A, eIF4E und eIF4G) rekrutieren den 43S PIC an die 5'-Cap‑Struktur der mRNA; von dort aus scannen die 43S‑Partikel entlang der mRNA in 5'→3'-Richtung, bis das AUG‑Startcodon erreicht wird. Die Erkennung des Startcodons durch Met‑tRNAiMet fördert die Freisetzung von anorganischem Phosphat und eIF1, wodurch ein 48S‑Präinitiationskomplex (48S PIC) entsteht; anschließend werden 60S‑ribosomale Untereinheiten rekrutiert, um 80S‑Ribosomen zu bilden. Die größere Anzahl eukaryotischer Initiationsfaktoren im Vergleich zu prokaryotischen spiegelt die höhere biologische Komplexität der eukaryotischen Translation wider.

eIF1 und eIF1A

Sowohl eIF1 als auch eIF1A binden an den 40S‑ribosomalen Untereinheit‑mRNA‑Komplex. Gemeinsam induzieren sie eine „offene“ Konformation der mRNA‑Bindungskanäle, die für das Scanning, die tRNA‑Anlieferung und die Initiation der Codonerkennung essenziell ist. Insbesondere gilt die Dissoziation von eIF1 von der 40S‑Untereinheit als ein Schlüsselschritt bei der Erkennung des Initiationscodons. eIF1 und eIF1A sind kleine Proteine (beim Menschen 13 bzw. 16 kDa) und Bestandteil des 43S PIC. eIF1 bindet in der Nähe der P‑Stelle des Ribosoms, während eIF1A in der Nähe der A‑Stelle bindet – in einer Weise, die den strukturellen und funktionellen bakteriellen Gegenstücken IF3 bzw. IF1 ähnelt.

Abbildung 1. Proteinstruktur von eIF1.

eIF3

eIF3 bindet unabhängig an die 40S‑ribosomale Untereinheit, an mehrere Initiationsfaktoren sowie an zelluläre und virale mRNA. Bei Säugetieren ist eIF3 der größte Initiationsfaktor und besteht aus 13 Untereinheiten (a–m). Er hat ein Molekulargewicht von ca. 800 kDa und steuert die Assemblierung der 40S‑Untereinheit auf mRNA mit 5'-Cap oder mit einer IRES (internal ribosome entry site). eIF3 kann hierfür den eIF4F‑Komplex nutzen oder alternativ bei interner Initiation eine IRES, um den mRNA‑Strang nahe der Austrittsstelle der 40S‑Untereinheit zu positionieren und dadurch die Bildung eines funktionellen Präinitiationskomplexes zu fördern. In vielen humanen Tumorerkrankungen sind eIF3‑Untereinheiten überexprimiert (Untereinheiten a, b, c, h, i und m) bzw. unterexprimiert (Untereinheiten e und f). Ein möglicher Mechanismus zur Erklärung dieser Dysregulation ergibt sich aus der Beobachtung, dass eIF3 an ein spezifisches Set von mRNA‑Transkripten von Regulatoren der Zellproliferation bindet und deren Translation reguliert. eIF3 vermittelt zudem zelluläre Signalübertragung über S6K1 und mTOR/Raptor und beeinflusst dadurch die Translationsregulation.

Abbildung 2. Proteinstruktur von eIF2.

eIF4F

Der eIF4F‑Komplex besteht aus drei Untereinheiten: eIF4A, eIF4E und eIF4G. Für jede Untereinheit existieren mehrere humane Isoformen; darüber hinaus gibt es weitere eIF4‑Proteine: eIF4B und eIF4H. eIF4G ist ein 175,5‑kDa‑Gerüstprotein, das innerhalb des eIF4F‑Komplexes mit eIF3 sowie mit dem Poly(A)‑Bindungsprotein (PABP) und weiteren Proteinen interagiert. eIF4E erkennt und bindet die 5'-Cap‑Struktur der mRNA, während eIF4G an PABP bindet, das wiederum an den Poly(A)‑Schwanz bindet; dies kann zu einer Zirkularisierung und Aktivierung der gebundenen mRNA führen. eIF4A (eine DEAD‑Box‑RNA‑Helikase) ist wichtig für die Auflösung sekundärer mRNA‑Strukturen. eIF4B enthält zwei RNA‑Bindedomänen – eine interagiert unspezifisch mit der mRNA, während die zweite spezifisch an den 18S‑Anteil der kleinen ribosomalen Untereinheit bindet. Es fungiert als Anker und wesentlicher Kofaktor für eIF4A. Zudem ist eIF4B ein Substrat von S6K; in phosphorylierter Form fördert es die Bildung von Präinitiationskomplexen. Bei Wirbeltieren ist eIF4H ein zusätzlicher Initiationsfaktor und wirkt ähnlich wie eIF4B.

Abbildung 3. Proteinstruktur von eIF4.

eIF5

eIF5 ist ein GTPase‑aktivierendes Protein, das die Bindung großer ribosomaler Untereinheiten an kleine Untereinheiten unterstützt. Es ist erforderlich, damit eIF2 GTP hydrolysieren kann, und enthält die ungewöhnliche Aminosäure Hypusin. eIF5A ist ein eukaryotisches Homolog von EF‑P. Es unterstützt die Elongation und spielt eine Rolle bei der Termination. eIF5B ist eine GTPase, die an der Assemblierung intakter Ribosomen beteiligt ist. Es ist ein funktionelles eukaryotisches Analog des bakteriellen IF2.

Abbildung 4. Proteinstruktur von eIF5.

Erkrankungen

Von den bekannten eukaryotischen Initiationsfaktoren ist eIF2B am engsten mit humanen genetischen Erkrankungen assoziiert. Autosomal‑rezessiv vererbte Mutationen in den fünf Untereinheit‑Genen von eIF2B können zu Anomalien der weißen Substanz führen, die klinisch als Spektrum schwerer, progredienter Symptome in Erscheinung treten und als „eIF2B‑assoziierte Erkrankungen“ bezeichnet werden. Typische Beispiele sind Leukodystrophien, insbesondere die Vanishing‑White‑Matter‑Erkrankung (VWM), sowie Ovarialinsuffizienz. Die Erkrankung verläuft chronisch und verschlechtert sich mit zunehmendem Alter; bei Infektionen mit Fieber oder nach geringfügigem Schädel‑Hirn‑Trauma kann es zu akuten Verschlechterungen bis hin zum Tod kommen. Im schwersten Verlauf kann der Tod bereits im Säuglingsalter eintreten; bei Persistenz bis ins Erwachsenenalter kann es zu einem Ausbleiben der ovariellen Entwicklung kommen, ggf. begleitet von Neurodegeneration.

Referenz

1. Jackson RJ; et al. The mechanism of eukaryotic translation initiation and principles of its regulation. Nature Reviews. Molecular Cell Biology. 2010, 11 (2): 113-27.