Die PAS-Domäne-enthaltende Serin/Threonin-Proteinkinase (PASK) ist ein Enzym, das beim Menschen vom PASK-Gen kodiert wird. Die PAS-Domäne reguliert die Funktionen verschiedener intrazellulärer Signaltransduktionswege als Reaktion auf äußere und innere Reize. 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 äußere und innere Reize. Durch die PAS-Domäne regulierte Histidinkinasen sind in Prokaryoten weit verbreitet und steuern eine Vielzahl grundlegender physiologischer Prozesse. Ähnliche regulatorische Kinasen sind in Eukaryoten selten und wurden bisher bei Säugetieren nicht gefunden. PAS-Kinase (PASK) ist ein evolutionär konserviertes Genprodukt, das in Hefe, Fruchtfliegen und Säugetieren vorkommt. Die Aminosäuresequenz von PASK weist zwei PAS-Domänen auf, gefolgt von einer typischen Serin/Threonin-Kinase-Domäne, was darauf hindeutet, dass es sich um die erste PAS-regulierte Proteinkinase bei Säugetieren handeln könnte.

Abbildung 1. Proteinstruktur von PASK.

Einführungen

Die PAS-Domäne ist ein kleines regulatorisches Modul in allen Reichen des Lebens. Die meisten prokaryotischen PAS-Domänen fungieren als Sensormodule 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 benötigten Produktgene steuert. Dieser Mechanismus beruht auf der Fähigkeit der einzelnen PAS-Domäne des FixL-Proteins, Sauerstoff über die angehängte Hämgruppe zu erkennen und dieses Signal mit Konformationsänderungen an der Oberfläche der PAS-Domäne zu koppeln. Die Konformation der FixL-PAS-Domäne steuert die Aktivität ihrer übertragenden Histidinkinase, vermutlich durch die unterschiedliche Regulierung der PAS-Domäne/Kinase-Domäne-Interaktion unter sauerstoffgebundenen und anaeroben Bedingungen. Die Histidinkinase katalysiert eine Reihe von Phosphotransferreaktionen nur unter anaeroben Bedingungen, was letztlich zur Phosphorylierung und Aktivierung des Transkriptionsfaktors FixJ führt. 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, die PAS-Domänen enthalten, wurden bei Prokaryoten gefunden. Es wird vermutet, dass die meisten dieser Systeme einen dem FixL/FixJ ähnlichen Mechanismus verwenden und unter der Kontrolle spezifischer Reize die Konformation der PAS-Domäne besitzen, wodurch die Aktivität ihrer homologen Histidinkinase reguliert und so spezifische zelluläre Antworten gesteuert werden.

Regulationen

Der Hauptweg, auf dem PASK-Signale die Energienutzung regulieren, ist mit ziemlicher Sicherheit die Phosphorylierung von Proteinsubstraten, die durch die klassische C-terminale Serin/Threonin-Kinase-Domäne katalysiert wird. Im Gegensatz dazu ist der Mechanismus, durch den PASK den metabolischen Zustand der Zellen erkennt, unklar, könnte aber mit seiner N-terminalen PAS-Domäne zusammenhängen. Die PAS-Domäne wirkt als Sensormodul für eine Vielzahl intrazellulärer Signale, darunter Licht, Sauerstoff, Redoxstatus und verschiedene Metaboliten. In Koordination mit dieser Sensorfunktion löst die PAS-Domäne eine angemessene zelluläre Antwort 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 können. Die PAS-Domäne von PASK kann auch direkt oder indirekt an die katalytische Aktivität der Kinase-Domäne binden und diese hemmen. Diese Daten, zusammen mit anderen Beispielen aus der PAS-Domänenforschung, stützen die Hypothese, dass zelluläre PAS-Domänen-Liganden die PASK-Kinase-Aktivität regulieren, indem sie die Interaktion zwischen PAS-Domäne und Kinase-Domäne steuern. Die meisten Proteinkinasen benötigen eine Phosphorylierung an Serin-, Threonin- oder Tyrosinresten innerhalb der Aktivierungsschleife der Kinase-Domäne, um vollständig aktiviert zu werden.

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

Referenzen:

1. Chintan K; et al. Strukturelle Grundlagen der durch PAS-Domäne regulierten Kinase (PASK)-Aktivierung in Abwesenheit der Aktivierungsschleifen-Phosphorylierung.J. Biol. Chem. 2010, 285:41034-41043.
2. Rutter J; et al. PAS-Kinase: eine evolutionär konservierte, durch PAS-Domäne regulierte Serin/Threonin-Kinase. Proc Natl Acad Sci U S A. 2001,98 (16): 8991–6.