PEK-Kinasen, auch als Kinase der eukaryotischen Translationsinitiationsfaktor‑2‑α‑Untereinheit (eIF2α) bezeichnet, reagieren auf zahlreiche unterschiedliche Stressoren, indem sie den Translationsinitiationsfaktor 2 (eIF2) phosphorylieren, wodurch die Translation reduziert und stressresponsive Gene aktiviert oder Apoptose induziert werden. Unter Nährstoffstress werden vertebratenspezifische PKR‑Unterfamilien durch virale doppelsträngige RNA aktiviert, PEK wird durch fehlgefaltete Proteine im endoplasmatischen Retikulum (ER) aktiviert, HRI wird durch Häm aktiviert und GCN2 wird durch unbeladene tRNA aktiviert.

Abbildung 1. Prozess der Translationsinitiation in Eukaryoten mit eIF2 in hellgrün.

Einführung in eukaryotische Initiationsfaktoren

Die Initiation der eukaryotischen Proteintranslation ist ein komplexer zellulärer Prozess, an dem eine Reihe von Proteinen beteiligt ist. Diese Proteine werden als eukaryotische Initiationsfaktoren (eIF) bezeichnet. Es wurden mindestens 12 unterschiedliche Initiationsfaktoren identifiziert. Eukaryotische Initiationsfaktoren, auch als eukaryotische Translationsinitiationsfaktoren bezeichnet, sind Proteine, die am Prozess der eukaryotischen Translationsinitiation beteiligt sind. Im Vergleich zu den lediglich drei prokaryotischen Initiationsfaktoren (IF1, IF2, IF3) sind eukaryotische Initiationsfaktoren zahlreicher und komplexer. Insgesamt wurden 12 eukaryotische Initiationsfaktoren beschrieben. Durch das Zusammenspiel dieser eukaryotischen Initiationsfaktoren untereinander sowie mit Ribosomen, mRNA und der initiierenden tRNA wird die Translationsinitiation in Eukaryoten abgeschlossen. Im Vergleich zu Prokaryoten ist die eukaryotische Translationsinitiation daher stärker von Protein‑Protein‑ sowie Protein‑RNA‑Interaktionen abhängig als von RNA‑RNA‑Interaktionen. Neben ihrer Rolle in der eukaryotischen Translationsinitiation erfüllen viele eukaryotische Initiationsfaktoren weitere Funktionen. So ist eIF3 beispielsweise an der Regulation von Zellwachstum und Zellzyklus beteiligt. Mehrere eukaryotische Initiationsfaktoren stehen zudem im Zusammenhang mit Erkrankungen. Mutationen in Genen, die zwei unterschiedliche Untereinheiten von eIF2B kodieren, können beispielsweise eine schwere hereditäre neurodegenerative Erkrankung verursachen, die als „vanishing white matter“ (VWM) bezeichnet wird; die e‑Untereinheit von eIF3 ist eng mit onkologischen Erkrankungen assoziiert.

Interaktionen

Es besteht eine Vielzahl von Interaktionen zwischen eukaryotischen Initiationsfaktoren und Ribosomen, die ein Interaktionsnetzwerk bilden. Dabei stellt eIF3 den zentralen Knotenpunkt dar, der dieses Netzwerk vermittelt; eine oder mehrere seiner Untereinheiten können mit eIF1, eIF1A, eIF2, eIF4B, eIF4G, eIF5 sowie der ribosomalen 40S‑Untereinheit interagieren. Diese Interaktionen können stabil sein, sodass stabile Komplexe entstehen, die an der Translationsinitiation beteiligt sind; es können jedoch auch zahlreiche dynamische Interaktionen auftreten, wodurch die Translationsinitiation unter regulierbaren Bedingungen abläuft.

Stabile Interaktionen

Zahlreiche Forschungsergebnisse zeigen, dass eIF1, eIF3, eIF2·GTP·Met‑tRNAi und eIF5 in Hefe zu einem stabilen Multifaktor‑Komplex (MFC) binden können. Die Integrität des MFC ist für die Translationsinitiation wichtig, insbesondere für die Auswahl des AUG‑Codons. Der MFC nutzt eIF5 als Kern und wird durch die Interaktion der C‑terminalen Domäne von eIF5 mit den β‑Untereinheiten von eIF1 und eIF2 sowie der c‑Untereinheit von eIF3 gebildet.

Dynamische Interaktionen

Viele der Interaktionen zwischen eukaryotischen Initiationsfaktoren können dynamisch sein und treten nur zu spezifischen Zeitpunkten im Initiationsprozess auf. Mehrere experimentelle Beobachtungen stützen diese Sichtweise:

(1) Nachdem bestimmte Faktoren von der 40S‑Untereinheit dissoziiert sind, können andere Faktoren an die 40S‑Untereinheit binden.

(2) Es wurde festgestellt, dass die Konzentration einiger Faktoren, die in Zellen Komplexe bilden, höher ist als die anderer Faktoren. Dies deutet darauf hin, dass ein Teil dieser hochkonzentrierten Faktoren an der Komplexbildung beteiligt ist, während andere Anteile nicht beteiligt sind.

(3) In einigen Fällen kann die Interaktion zwischen zwei Faktoren einen dritten Faktor verdrängen, was darauf hindeutet, dass sie zu unterschiedlichen Zeitpunkten im Initiationsprozess wirken. So schließen sich beispielsweise die Interaktionen von eIF1 mit eIF5 bzw. eIF4G gegenseitig aus; ebenso schließen sich die Interaktionen von eIF2 mit eIF4G bzw. eIF5 gegenseitig aus, und die Interaktion von eIF5 mit eIF2B ist mit eIF2 gegenseitig ausschließend.

Assoziierte Erkrankungen

Von den bekannten eukaryotischen Initiationsfaktoren ist eIF2B am engsten mit humanen genetischen Erkrankungen verknüpft. Autosomal‑rezessiv vererbte Mutationen in den Genen der fünf Untereinheiten von eIF2B können zu Anomalien der weißen Substanz führen, die klinisch als Reihe schwerer, progredienter Symptome imponieren und als „eIF2B‑assoziierte Erkrankungen“ bezeichnet werden. Typische Beispiele sind Leukodystrophien, insbesondere die „vanishing white matter“‑Erkrankung (VWM), sowie Ovarialinsuffizienz. Diese Erkrankung verläuft chronisch und progredient, verschlechtert sich mit zunehmendem Alter und kann sich bei febrilen Infekten oder geringfügigem Schädel‑Hirn‑Trauma akut verschlimmern und zum Tod führen. Im schwersten Verlauf kann sie bereits im Säuglingsalter letal sein; bei längerem Verlauf kann es im Erwachsenenalter zu einem Ausbleiben der Ovarialentwicklung kommen, ggf. begleitet von Neurodegeneration. Bei Säugetieren wird die e‑Untereinheit von eIF3 (eIF3e) durch das Int6‑Gen kodiert, das eine Integrationsstelle des Genoms des Maus‑Mammatumorvirus darstellt. Die Insertion des viralen Genoms kann zur Bildung eines gespaltenen eIF3e führen; die Expression des gespaltenen eIF3e kann eine maligne Transformation von Zellen auslösen. Daher verursacht eIF3e zwar nicht unmittelbar Krebs, ist jedoch eng mit der Tumorentstehung assoziiert. Darüber hinaus können Mutationen an der Phosphorylierungsstelle der α‑Untereinheit von eIF2 Symptome hervorrufen, die denen einer Deletion des Gens der PKR‑ähnlichen Kinase des endoplasmatischen Retikulums (PERK) ähneln. PERK‑Genmutationen können zum Wolcott‑Rallison‑Syndrom führen, das sich als schwerer juveniler Diabetes mellitus mit verzögertem Knochenwachstum manifestiert. Für Mutationen an dieser Phosphorylierungsstelle beim Menschen liegen jedoch bislang keine Berichte vor.

Literatur

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.