Die PEK-Familie, auch als eukaryotische Initiationsfaktoren (eIFs) bezeichnet, sind Proteine oder Proteinkomplexe, die an der Initiationsphase der eukaryotischen Translation beteiligt sind. Diese Proteine stabilisieren die Bildung von Ribosom-Prästartkomplexen um das Startcodon und sind wichtige Faktoren für die posttranskriptionelle Genregulation. Mehrere Initiationsfaktoren bilden zusammen mit der kleinen 40S-Ribosomenuntereinheit und Met-tRNAiMet einen Komplex, der als 43S-Prästartkomplex (43S PIC) bezeichnet wird. Die anderen Faktoren des eIF4F-Komplexes (eIF4A, E und G) rekrutieren den 43S PIC an die Fünf-Faktor-Kappenstruktur der mRNA, von wo aus die 43S-Partikel 5'->3' entlang der mRNA scannen, um das AUG-Startcodon zu erreichen. Die Erkennung des Startcodons durch Met-tRNAiMet fördert die Freisetzung von gebundenem Phosphat und eIF1, wodurch ein 48S-Prästartkomplex (48S PIC) gebildet wird, der anschließend eine große Anzahl von 60S-Ribosomenuntereinheiten rekrutiert, um 80S-Ribosomen zu bilden. Es gibt mehr eukaryotische Promotoren als prokaryotische Promotoren, was die größere biologische Komplexität der eukaryotischen Translation widerspiegelt.

eIF1 und eIF1A

Sowohl eIF1 als auch eIF1A binden an den 40S-Ribosomenuntereinheit-mRNA-Komplex. Gemeinsam induzieren sie die „offene“ Konformation der mRNA-Bindungskanäle, die für das Scannen, die tRNA-Bereitstellung und die Initiation der Codonerkennung unerlässlich ist. Insbesondere wurde angenommen, dass die Dissoziation von eIF1 von der 40S-Untereinheit ein entscheidender Schritt bei der Erkennung des Initiationscodons ist. eIF1 und eIF1A sind kleine Proteine (13 bzw. 16 kDa beim Menschen) und Teil des 43S PIC. eIF1 bindet in der Nähe der Ribosomen-P-Stelle, während eIF1A in der Nähe der A-Stelle bindet, ähnlich wie die strukturellen und funktionellen bakteriellen Gegenstücke IF3 bzw. IF1.

Abbildung 1. Proteinstruktur von eIF1.

eIF3

eIF3 bindet unabhängig an die 40S-Ribosomenuntereinheit, mehrere Initiationsfaktoren sowie zelluläre und virale mRNA. Bei Säugetieren ist eIF3 der größte Initiationsfaktor, bestehend aus 13 Untereinheiten (a–m). Er hat ein Molekulargewicht von ~800 kDa und steuert die Assemblierung der 40S-Ribosomenuntereinheit auf mRNA mit 5'-Kappe oder einer IRES. eIF3 kann den eIF4F-Komplex nutzen oder alternativ während der internen Initiation eine IRES, um den mRNA-Strang in der Nähe der Austrittsstelle der 40S-Ribosomenuntereinheit zu positionieren und so die Bildung eines funktionellen Präinitiationskomplexes zu fördern. Bei vielen menschlichen Krebserkrankungen sind eIF3-Untereinheiten überexprimiert (Untereinheiten a, b, c, h, i und m) und unterexprimiert (Untereinheiten e und f). Ein möglicher Mechanismus zur Erklärung dieser Fehlregulation ergibt sich aus der Erkenntnis, dass eIF3 an eine spezifische Gruppe von mRNA-Transkripten von Zellproliferationsregulatoren bindet und deren Translation reguliert. eIF3 vermittelt außerdem zelluläre Signalübertragung über S6K1 und mTOR/Raptor zur Beeinflussung der Translationsregulation.

Abbildung 2. Proteinstruktur von eIF2.

eIF4F

Der eIF4F-Komplex besteht aus drei Untereinheiten: eIF4A, eIF4E und eIF4G. Jede Untereinheit hat mehrere humane Isoformen, und es gibt weitere eIF4-Proteine: eIF4B und eIF4H. eIF4G ist ein 175,5-kDa-Gerüstprotein, das mit dem eIF4F-Komplex, eIF3, Poly(A)-bindendem Protein (PABP) und anderen Mitgliedern der Proteinfamilie interagiert. eIF4E erkennt und bindet an die 5'-Kappenstruktur der mRNA, während eIF4G an PABP bindet, das wiederum an den Poly(A)-Schwanz bindet, was die mRNA möglicherweise zirkularisiert und aktiviert. eIF4A (eine DEAD-Box-RNA-Helikase) ist wichtig für die Auflösung der Sekundärstruktur der mRNA. eIF4B enthält zwei RNA-Bindedomänen – eine interagiert unspezifisch mit der mRNA, während die zweite spezifisch an den 18S-Abschnitt der kleinen Ribosomenuntereinheit bindet. Es wirkt als Anker und wichtiger Kofaktor für eIF4A. Es ist auch ein Substrat von S6K, und wenn es phosphoryliert ist, fördert es die Bildung von Prästartkomplexen. Bei Wirbeltieren ist eIF4H ein zusätzlicher Initiationsfaktor und funktioniert ähnlich wie eIF4B.

Abbildung 3. Proteinstruktur von eIF4.

eIF5

eIF5 ist ein GTPase-aktivierendes Protein, das hilft, große Ribosomenuntereinheiten an kleine Untereinheiten zu binden. Es ist notwendig, damit eIF2 GTP hydrolysiert, und enthält die ungewöhnliche Aminosäure Hysupsin. eIF5A ist ein eukaryotisches Homolog von EF-P. Es hilft bei der 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 Analogon des bakteriellen IF2.

Abbildung 4. Proteinstruktur von eIF5.

Krankheiten

Von den bekannten eukaryotischen Initiationsfaktoren ist eIF2B am engsten mit menschlichen genetischen Erkrankungen verbunden. Autosomal-rezessive Mutationen in den fünf Untereinheitengenen von eIF2B können zu Weißsubstanzanomalien führen, die sich klinisch als eine Reihe schwerer, anhaltender Symptome äußern, die als „eIF2B-assoziierte Erkrankungen“ bezeichnet werden. Typische Beispiele sind Weißsubstanzkrankheit, d. h. vanishing white matter (VWM) und Ovarialinsuffizienz. Diese Störung ist langanhaltend, verschlechtert sich mit dem Alter und kann sich bei Fieber oder geringem Hirntrauma verschlimmern und zum Tod führen. Im schlimmsten Fall kann sie im Säuglingsalter zum Tod führen, und wenn sie bis zum Ende anhält, kann sie das Ausbleiben der Ovarialentwicklung im Erwachsenenalter verursachen und möglicherweise mit Neurodegeneration einhergehen.

Referenz

1. Jackson RJ; et al. Der Mechanismus der eukaryotischen Translationsinitiation und Prinzipien ihrer Regulation. Nature Reviews. Molecular Cell Biology. 2010, 11 (2): 113-27.