miniatura|Figura 1: formació del complex 43 S per a la síntesi de proteïnes, i fosforilació de EIF2α que inhibeix EIF2B i disminueix la velocitat global de traducció.|415x415pxLa subunitat 1 del factor d'iniciació de la traducció eucariota 2 (eIF2α) és una proteïna codificada pel gen EIF2S1 en humans.
Estructura La proteïna eIF2ɑ és una de les subunitats del complex proteic eIF2. Aquest complex és un heterotrímer format per 3 subunitats diferents amb una massa molar total de 126 kDa. Les 3 subunitats que el conformen són:
eIF2ɑ: la subunitat 1, també coneguda com a eIF2S1 (la subunitat en la qual se centra aquest article) amb una massa molar de 36 kDa. eIF2β: la subunitat 2, també coneguda com a eIF2S2 amb una massa molar de 38 kDa. eIF2γ: la subunitat 3, també coneguda com a eIF2S3 amb una massa molar de 52 kDa.
En concret, la subunitat eIF2ɑ està formada per 315 aminoàcids, un nombre d'aminoàcids que és comú en mostres de la proteïna provinents d'humans, de ratolins i de rates. A més, aquesta presenta 3 dominis estructurals reconeguts per TED. L’estructura secundària observada en l’estudi de la proteïna humana eIF2ɑ (eIF2S1) presenta les següents característiques:
Una gran part dels aminoàcids de la proteïna adopta una estructura secundària de tipus hèlix alfa. Aquest tipus d’estructura secundària és el que predomina a la proteïna en comparació amb la resta d’estructures. Una altra porció dels aminoàcids adopta una estructura secundària de tipus làmina beta. Altres residus de la proteïna formen girs, un tipus d’estructura secundària que permet els canvis de direcció de la cadena polipeptídica. La resta d’aminoàcids de la proteïna se situen en regions sense estructura secundària definida o en les quals no s’han recollit prou dades experimentals per determinar-la amb exactitud.
Totes les dades mencionades anteriorment sobre l'estructura del complex eIF2 i de la subunitat 1 d'aquest es basen en mostres humanes.
Funció La proteïna codificada per aquest gen és la subunitat alfa (α) del complex proteic del factor de transcripció eIF2, aquest complex és una GTPasa heterotrimérica que catalitza una fase primerenca regulada de la iniciació de la síntesi de proteïnes, promovent així l’acoblament de l’iniciador d’ARNt (ARNt-Met) a la subunitat ribosomal 40S. Aquest acoblament és un pas imprescindible per l’inici de la traducció de qualssevol tipus d’ARN missatger i es fa a través d’un complex ternari format per metionil-ARNt (ARNt-Met), eIF2 i GTP. Aquest complex ternari s’acobla a la subunitat ribosomal 40S i dona lloc al complex de preiniciació 43S (PIC 43S). Cal destacar que a la subunitat 40S s’hi acoblen cooperativament factors d’iniciació diferents d'eIF2 com eIF1, eIF1A i eIF3; que també formen part del PIC 43S. Posteriorment, es produeix la unió de l'ARNm al PIC 43S, un ARNm que ja ha estat desenrotllat a través del complex eIF4F. Doncs, amb les proteïnes del complex eIF4F i el complex PIC 43S es forma un nou complex anomenat 48S disposat sobre l'ARNm. Aquest complex 48S és qui s’encarrega d’escanejar l’ARNm amb l’objectiu de localitzar el punt on s’inicia la traducció anomenat codó d’inici (AUG). Una vegada es localitza aquest codó d’inici a l’ARNm les bases nitrogenades d’aquest (AUG) s’aparellen amb les del ARNt-Met (UAC). Després, el GTP unit a l’eIF2 és hidrolitzat pel propi complex eIF2, que recordem que és una GTPasa (quan està activa hidrolitza GTP i genera GDP), gràcies a l’acció de la proteïna eIF5, una proteïna activadora de GTPasa (GAP) que s’uneix al complex 48S i activa l’activitat GTPasa del complex (la GAP indueix la hidròlisi de GTP). La conseqüència d’aquesta hidròlisi és l’alliberament d’un complex binari eIF2-GDP del complex 48S. A continuació, es recluta la subunitat ribosomal 60S amb l’objectiu de formar el complex d’iniciació 80S. I aquest darrer complex ja permet que s'iniciï el procés de traducció proteica.
Per tal que tot el procés detallat anteriorment pugui tornar-se a produir, és necessari que l'eIF2 estigui unit a GTP, ja que com a GTPasa només es troba activa i pot dur a terme la seva funció biològica si està unida a GTP. Per tant, s’ha de substituir el GDP del complex binari alliberat per un GTP. Aquest intercanvi està catalitzat per la proteïna eIF2B, un factor d’intercanvi de nucleòtids de guanina (GEF). D’aquesta manera, gràcies a l’acció d’eIF2B, eIF2-GTP es pot unir de nou a metionil-ARNt, tornar a formar el complex ternari eIF2- GTP-ARNt-Met i promoure la iniciació de la traducció proteica.
En aquest procés la subunitat alpha del complex eIF2 juga un paper molt rellevant, ja que la velocitat de formació del complex ternari eIF2-GTP-Met-tRNA es veu modulada per l’estat de fosforilació d’eIF2ɑ. Això es deu al fet que quan eIF2ɑ està fosforilada, indueix la inhibició de la proteïna eIF2B, per tant, aquesta última no pot dur a terme la seva funció com a GEF, no es pot activar la GTPasa eIF2 i en conseqüència no es pot regenerar el complex ternari ni iniciar la traducció proteica.
La fosforilació d’eIF2ɑ per les EIF-2 cinases és fonamental per a la regulació de la resposta integrada a l'estrès del reticle endoplasmàtic (ISR; Integrated Stress Response), una resposta en la qual es disminueix la síntesi proteica entre altres efectes.
Fosforilació La fosforilació de l’eIF2ɑ és un dels mecanismes més ben definits de regulació de la iniciació de la traducció. Prèviament a la iniciació, l’heterotrímer eIF2αβγ, en la seva forma lligada al GTP, entrega l’iniciador Met-tRNAiMet a la subunitat ribosomal de 40S per formar el complex d’iniciació de 43S. Aquest complex és reclutat cap a l'ARNm amb caperutxa i escaneja la regió 5′ no traduïda de l’ARNm per localitzar el codó iniciador AUG. Un cop reconegut el codó d’inici, s’hidrolitza el GTP i s’allibera la forma inactiva de la proteïna, eIF2-GDP. Per repetir el procés cal que la proteïna es torni a activar intercanviant el GDP amb GTP gràcies al factor d’intercanvi de guanina eIF2B. Si es fosforila eIF2ɑ, eIF2 es converteix en un inhibidor competitiu del eIF2B, provocant que disminueixi la concetració d’eIF2-GTP. Per tant, la fosforilació d’eIF2ɑ al residu de serina 51 disminueix la velocitat global traduccional (figura 1).
Aquest mecanisme és la resposta principal a diverses situacions d'estrès com poden ser: insuficiència d'aminoàcids a la cèl·lula, plegament incorrecte de proteïnes, estrès osmòtic, radiacions de llum ultraviolada i infeccions víriques. Hi ha 4 eIF2ɑ cinases que s’activen davant diferents senyals d’estrès, aquestes són: PERK, PKR, GCN2 i HRI. L’activació d’aquestes quinases desencadena la resposta integrada a l’estrès (ISR), atès que cada resposta a l’estrès convergeix en la fosforilació de l’eIF2α. El resultat d’aquest procés es considera similar en tots els casos: una disminució de la traducció global i un increment de la traducció d’ARNm específics. En particular, s’estimula la traducció de l’ARNm que codifica el factor de transcripció activador 4 (ATF4), el qual indueix l’expressió de gens implicats en la supervivència de la cèl·lula i la seva recuperació. Un cop es desfosforila eIF2α s’assenyala la terminació de la ISR i es retorna a la síntesi proteica basal.
PERK PERK (també PEK o EIF2AK3) és activada principalment per l’acumulació de proteïnes mal plegades en el reticle endoplasmàtic (estrès del reticle endoplasmàtic). Durant la fosforilació de l’eIF2α, el PERK inhibeix la síntesi de nous polipèptids, de manera que es redueix l’entrada de polipèptids en el lumen del reticle endoplasmàtic. Això permet el replegament de les proteïnes mal plegades i la distribució adient d’aquelles que no quedaran ben plegades (elements importants per a la resposta a proteïnes mal plegades (UPR), la qual restaura l’homeòstasi del reticle endoplasmàtic).
PERK és una proteïna transmembrana del reticle endoplasmàtic amb l’extrem N-terminal situat en el lumen, i incorpora regions de la proteïna fonamentals per la dimerització, regulació, i associació amb les xaperones BiP del reticle endoplasmàtic (també coneguda com a proteïna regulada per la glucosa de 78 kDa (GRP78) i HspA5) mentre que la regió C-terminal és citosòlica i conté el domini quinasa i els llocs d’autofosforilació.
L’estímul específic per l’activació del PERK encara no està determinat, no obstant això, la dimerització té, aparentment, un paper important. En el seu estat inactiu, el PERK es troba unit a una BiP i una proposta és que les proteïnes mal plegades dins del lumen del reticle endoplasmàtic competeixen amb el PERK per la unió a BiP. L’acumulació de proteïnes mal plegades provoca que la BiP es dissociï del PERK, cosa que permet la dimerització, l'autofosforilació en diversos residus del domini C-terminal i, en conseqüència, l’activació del PERK.
PKR PKR (o EIF2AK2) fou inicialment descoberta com una cinasa que fosforila eIF2α en resposta a infeccions víriques, inhibint així la transcripció d'ARNm virals i facilitant l'apoptosi. No obstant, el PKR també pot ser activat en respostes diverses com ara a l’estrès del reticle endoplasmàtic, o l'estrès oxidatiu, així com en la senyalització de citocines i factors de creixement.
PKR és la cinasa d'eIF2α més ben caracteritzada en relació a la seva estructura i mecanisme d’activació. La proteïna PKR es localitza al citoplasma i al nucli, i a la seva regió reguladora N-terminal conté un domini d’unió a ARN de doble cadena (dsRNA) format per dos motius d’unió a ARN de doble cadena d’uns 70 aminoàcids cadascun, separats per una regió enllaçadora no estructurada. El domini cinasa C-terminal constitueix la superfície de dimerització, essencial per a l’activació de la PKR, i duu a terme les funcions catalítiques de la proteïna. La transcripció de la PKR és induïda per interferons, els quals són secretats com a resposta a la infecció viral. Abans que s’activin via dsRNA o altres estímuls, la PKR roman en el citosol en un estat latent.
GCN2 GCN2 (o EIF2AK4) és, principalment, un sensor de la disponibilitat d’aminoàcids i un regulador dels canvis en l’expressió gènica en resposta a la deprivació d’aminoàcids . També és activat per manca de glucosa tant a cèl·lules de llevat com de mamífers, malgrat que el mecanisme concret encara roman indefinit. Altres mecanismes d'activació són la radiació UV i infeccions víriques.
L’estructura de GCN2 és més complexa que la del PERK i PKR. A més d’un domini cinasa eucariòtic típic, també presenta un domini pseudo-cinasa i un domini relacionat amb la histidil-tRNA sintetasa (HisRS), el qual s’uneix als tRNAs no carregats amb una afinitat més alta que als tRNAs carregats. Es creu que l’activació del GCN2 es produeix mitjançant la unió dels tRNAs no carregats al domini HisRS de la proteïna. Aquests s’acumulen en resposta a la manca d’aminoàcids essencials o quan la síntesi d’aminoàcids és inhibida. Així com en les altres quinases de l’eIF2α, la dimerització és essencial per a l’activació, mentre que l’autofosforilació en el bucle d’activació de la cinasa a les posicions Thr882 i Thr887 també és necessària per a una activitat cinasa òptima.
L’activació del GCN2 a causa de la radiació UV provoca una aturada en la traducció, encara que la manera com la radiació UV resulta en l’acumulació de tRNAs no carregats roman indefinida. De fet, hi ha evidència que el mecanisme d’acció del GCN2 en la resposta a la irradiació UV pot no dependre del seu efecte sobre eIF2α, ja que no és necessària una forma fosforilable d’eIF2α perquè això es produeixi. A més, el GCN2 també atura la replicació del DNA després de l’exposició a llum UV d’una manera que pot o no dependre de la fosforilació de l’eIF2α.