Die PAS-Domänen-enthaltende Serin/Threonin-Proteinkinase (PASK) ist ein Enzym, das beim Menschen durch das PASK-Gen kodiert wird. Die PAS-Domäne reguliert als Antwort auf externe und interne Stimuli die Funktionen verschiedener intrazellulärer Signaltransduktionswege. PASK ist ein evolutionär konserviertes Protein, das in Hefe, Drosophila und Säugetieren vorkommt. Die PAS-Domäne reguliert die Funktion zahlreicher intrazellulärer Signalwege in Reaktion auf äußere und innere Reize. Durch die PAS-Domäne regulierte Histidinkinasen sind in Prokaryoten weit verbreitet und steuern eine Vielzahl grundlegender physiologischer Prozesse. Vergleichbare regulatorische Kinasen sind in Eukaryoten selten und waren bislang bei Säugetieren nicht beschrieben. Die PAS-Kinase (PASK) ist ein evolutionär konserviertes Genprodukt, das in Hefe, Fruchtfliegen und Säugetieren vorkommt. Die Aminosäuresequenz von PASK umfasst zwei PAS-Domänen, 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.

Einleitung

Die PAS-Domäne ist ein kleines regulatorisches Modul, das in allen Domänen des Lebens vorkommt. Die meisten prokaryotischen PAS-Domänen fungieren als Sensormodule in Zwei-Komponenten-Systemen. Eines der charakteristischsten Merkmale dieser Zwei-Komponenten-Systeme ist der FixL/FixJ-Signalweg bei Rhizobien. Dieses System koppelt die Stickstofffixierung an die Sauerstoffkonzentration, indem es Sauerstoff detektiert und die Transkription der für die Stickstofffixierung erforderlichen Produktgene steuert. Dieser Mechanismus beruht auf der Fähigkeit der einzelnen PAS-Domäne des FixL-Proteins, über die gebundene Hämgruppe den Sauerstoffgehalt zu erfassen und dieses Signal in Konformationsänderungen an der Oberfläche der PAS-Domäne zu überführen. Die Konformation der FixL-PAS-Domäne kontrolliert die Aktivität der zugehörigen Transmitter-Histidinkinase, vermutlich durch eine differenzielle Regulation der Interaktion zwischen PAS-Domäne und Kinase-Domäne unter sauerstoffgebundenen bzw. anaeroben Bedingungen. Die Histidinkinase katalysiert nur unter anaeroben Bedingungen eine Reihe von Phosphotransferreaktionen, die letztlich zur Phosphorylierung und Aktivierung des Transkriptionsfaktors FixJ führen. Phospho-FixJ ist anschließend in der Lage, die Transkription vieler Gene zu aktivieren, deren Produkte für die Stickstofffixierung essenziell sind. In Prokaryoten wurden zahlreiche weitere Zwei-Komponenten-Systeme mit PAS-Domänen identifiziert. Es wird spekuliert, dass die meisten dieser Systeme einen FixL/FixJ-ähnlichen Mechanismus nutzen und unter der Kontrolle spezifischer Stimuli die Konformation der PAS-Domäne verändern, wodurch die Aktivität der homologen Histidinkinase reguliert und damit spezifische zelluläre Antworten gesteuert werden.

Regulation

Der primäre Mechanismus, über den PASK-Signale die Energienutzung regulieren, ist mit hoher Wahrscheinlichkeit die Phosphorylierung von Proteinsubstraten, katalysiert durch die klassische C-terminale Serin/Threonin-Kinase-Domäne. Demgegenüber ist der Mechanismus, über den PASK den metabolischen Zustand von Zellen erfasst, unklar, könnte jedoch mit der N-terminalen PAS-Domäne zusammenhängen. Die PAS-Domäne fungiert als Sensormodul für eine Vielzahl intrazellulärer Signale, darunter Licht, Sauerstoff, Redoxstatus und verschiedene Metabolite. In Abstimmung mit dieser Sensorfunktion löst die PAS-Domäne eine angemessene zelluläre Antwort aus, indem sie die angekoppelte funktionelle Domäne moduliert. Wie bei anderen PAS-Domänen haben NMR-basierte Strukturstudien der PASK-PAS-Domänen gezeigt, dass diese spezifische kleine Moleküle binden können. Die PAS-Domäne von PASK kann zudem direkt oder indirekt an die Kinase-Domäne binden und deren katalytische Aktivität inhibieren. Diese Daten stützen zusammen mit weiteren Erkenntnissen aus der PAS-Domänen-Forschung die Hypothese, dass zelluläre Liganden der PAS-Domäne die PASK-Kinaseaktivität durch Regulation der Interaktionen zwischen PAS-Domäne und Kinase-Domäne modulieren. Die meisten Proteinkinasen benötigen zur vollständigen Aktivierung eine Phosphorylierung von Serin-, Threonin- oder Tyrosinresten innerhalb der Aktivierungsschleife (Activation Loop) der Kinase-Domäne.

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

Literatur:

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.