Die PAS-Domäne enthaltende Serin/Threonin-Protein-Kinase (PASK) ist ein Enzym, das durch das PASK-Gen beim Menschen kodiert wird. Die PAS-Domäne reguliert die Funktionen verschiedener intrazellulärer Signaltransduktionswege als Reaktion auf externe und interne Stimuli. PASK ist ein evolutionär konserviertes Protein, das in Hefe, Drosophila und Säugetieren vorkommt. Die PAS-Domäne reguliert die Funktion vieler intrazellulärer Signalwege als Reaktion auf externe und interne Stimuli. Histidin-Kinasen, die durch die PAS-Domäne reguliert werden, sind in Prokaryoten verbreitet und steuern eine Vielzahl grundlegender physiologischer Prozesse. Ähnliche regulatorische Kinasen sind in Eukaryoten selten und bisher in Säugetieren nicht nachgewiesen worden. PAS-Kinase (PASK) ist ein evolutionär konserviertes Genprodukt, das in Hefe, Fruchtfliegen und Säugetieren vorkommt. Die Aminosäuresequenz von PASK spezifiziert zwei PAS-Domänen, gefolgt von einer typischen Serin/Threonin-Kinase-Domäne, was darauf hindeutet, dass es sich um die erste mammalische PAS-regulierte Protein-Kinase handeln könnte.

Abbildung 1. Proteinstruktur von PASK.

Einführungen

Die PAS-Domäne ist ein kleines regulatorisches Modul in allen Lebensreichen. Die meisten prokaryotischen PAS-Domänen fungieren als Sensor-Module für Zwei-Komponenten-Systeme. Eines der markantesten Merkmale dieser Zwei-Komponenten-Systeme ist der FixL/FixJ-Weg von Rhizobium. Das System koppelt die Stickstofffixierung mit der Sauerstoffkonzentration, indem es Sauerstoff misst und die Transkription der für die Stickstofffixierung erforderlichen Genprodukte steuert. Dieser Mechanismus beruht auf der Fähigkeit der einzelnen PAS-Domäne des FixL-Proteins, Sauerstofflevel durch die angehängte Hämgruppe zu erkennen und dieses Signal mit konformationellen Änderungen an der Oberfläche der PAS-Domäne zu koppeln. Die Konformation der FixL PAS-Domäne steuert die Aktivität ihrer übertragenden Histidin-Kinase, was vermutlich durch die unterschiedliche Regulierung der Interaktion zwischen PAS-Domäne und Kinase-Domäne unter sauerstoffgebundenen und anaeroben Zuständen erreicht wird. Die Histidin-Kinase katalysiert nur unter anaeroben Bedingungen eine Reihe von Phosphotransferreaktionen, die letztendlich zur Phosphorylierung und Aktivierung des Transkriptionsfaktors FixJ führen. Phospho-FixJ ist dann in der Lage, die Transkription vieler Gene zu aktivieren, deren Produkte für die Stickstofffixierung unerlässlich sind. Viele andere Zwei-Komponenten-Systeme mit PAS-Domänen wurden in Prokaryoten gefunden. Es wird spekuliert, dass die meisten dieser Systeme einen Mechanismus ähnlich dem FixL/FixJ verwenden und unter dem Einfluss spezifischer Stimuli die Konformation der PAS-Domäne haben, wodurch die Aktivität ihrer homologen Histidin-Kinase reguliert wird und somit spezifische zelluläre Reaktionen kontrolliert werden.

Regulierungen

Der Hauptweg, auf dem PASK-Signale die Energienutzung regulieren, ist mit Sicherheit die Phosphorylierung von Protein-Substraten, die durch die klassische C-terminale Serin/Threonin-Kinase-Domäne katalysiert wird. Im Gegensatz dazu ist der Mechanismus, durch den PASK den Stoffwechselzustand der Zellen wahrnimmt, unklar, könnte aber mit seiner N-terminalen PAS-Domäne zusammenhängen. Die PAS-Domäne fungiert als sensorisches Modul für eine Vielzahl intrazellulärer Signale, einschließlich Licht, Sauerstoff, Redoxstatus und verschiedener Metaboliten. In Koordination mit dieser Sensorfunktion löst die PAS-Domäne eine angemessene zelluläre Reaktion aus, indem sie die angehängte funktionelle Domäne moduliert. Wie andere PAS-Domänen haben NMR-basierte Strukturstudien der PASK PAS-Domänen gezeigt, dass sie an spezifische kleine Moleküle binden kann. Die PAS-Domäne von PASK kann auch direkt oder indirekt binden und die katalytische Aktivität der Kinase-Domäne hemmen. Diese Daten, zusammen mit anderen Präzedenzfällen für die Forschung zur PAS-Domäne, unterstützen die Hypothese, dass zelluläre PAS-Domänen-Liganden die PASK-Kinaseaktivität regulieren, indem sie die Interaktionen zwischen PAS-Domäne und Kinase-Domäne regulieren. Die meisten Protein-Kinasen benötigen eine Phosphorylierung an Serin-, Threonin- oder Tyrosin-Resten innerhalb der Aktivierungsschleife der Kinase-Domäne, um eine vollständige Aktivierung zu erreichen.

Abbildung 2. Kristallstruktur der Kinase-Domäne von PASK. (Chintan K; et al. 2010)

Referenzen:

1. Chintan K; et al. Structural Bases of PAS Domain-regulated Kinase (PASK) Activation in the Absence of Activation Loop Phosphorylation.J. Biol. Chem. 2010, 285:41034-41043.
2. Rutter J; et al. PAS kinase: an evolutionarily conserved PAS domain-regulated serine/threonine kinase. Proc Natl Acad Sci U S A. 2001,98 (16): 8991–6.