Proteinkinase R

Die Proteinkinase R (PKR, R von RNA-aktiviert, auch eukaryotic translation initiation factor 2-alpha kinase 2, EIF2AK2) ist ein Enzym aus der Gruppe der Proteinkinasen, das bei bestimmten Infektionen die Proteinbiosynthese hemmt. Die Proteinkinase R gehört zu den Restriktionsfaktoren, genauer zu den antiviralen Proteinen und ist ein wichtiger Bestandteil der angeborenen Immunantwort.

Proteinkinase R
nach PDB 6D3K, Kinasedomäne mit ADP (orange) und Mg^2+ (grün)
Andere Namen	EIF2AK2, EIF2AK1, PKR, PPP1R83, PRKR, eukaryotic translation initiation factor 2 alpha kinase 2, LEUDEN, DYT33
Vorhandene Strukturdaten: 3UIU, 1QU6, 2A19, 2A1A
Masse/Länge Primärstruktur	551 Aminosäuren, 62.094 Da
Sekundär- bis Quartärstruktur	Homodimer
Kofaktor	Mg^2+
Isoformen	2 (Position 2–551, 2–510)
Bezeichner
Externe IDs	GeneCards: EIF2AK2 OMIM: 176871 UniProt: P19525 MGI: 1353449
Enzymklassifikation
EC, Kategorie	2.7.10.2, Proteinkinase
Substrat	ATP + S/T/Y (in Proteinen)
Vorkommen
Homologie-Familie	Hovergen
Orthologe
Mensch	Maus
Entrez	5610	19106
Ensembl	ENSG00000055332	ENSMUSG00000024079
UniProt	P19525	Q03963
Refseq (mRNA)	NM_002759	NM_011163
Refseq (Protein)	NP_002750	NP_035293
Genlocus	Chr 2: 37.1 – 37.16 Mb	Chr 17: 79.16 – 79.19 Mb
PubMed-Suche	5610	19106

Eigenschaften

Die Proteinkinase R bindet doppelsträngige RNA, die in eukaryotischen Zellen nicht vorkommt, und wird dadurch aktiviert. Die PKR besitzt eine Serin/Threonin-Kinaseaktivität. Alternativ kann PKR auch durch eine Bindung von PACT, Wachstumsfaktoren, Zytokine, oxidativen Stress, Heparin oder durch Quervernetzung mit ISG15 aktiviert werden. Künstlich kann PKR über Poly I:C aktiviert werden. Bei einigen bakteriellen Infektionen wird die PKR auch aktiviert, wobei der dortige Nutzen und Schaden der PKR-Aktivierung noch diskutiert wird. Ebenso wird bei bakteriellen Infektionen diskutiert, ob die Aktivierung der PKR durch bakterielle Nukleinsäuren, Aktivierung von Toll-like-Rezeptoren oder durch den second messenger Ca²⁺ aus dem endoplasmatischen Retikulum erfolgt. Die PKR wird in Bezug auf ihre Beteiligung bei einigen neurodegenerativen Erkrankungen untersucht, wie Morbus Alzheimer, Chorea Huntington und Morbus Parkinson.

Signaltransduktion

Nach Aktivierung dimerisiert die PKR und phosphoryliert sich zunächst selbst und anschließend unter anderem den eukaryotischen Initiationsfaktor der Translation eIF2α. Dadurch werden Proteine, deren mRNA mit dem Startcodon AUG beginnen, nicht mehr hergestellt, wohingegen Hitzeschockproteine weiterhin gebildet werden. Daneben aktiviert die PKR den Transkriptionsfaktor Activating Transcription Factor 4 (ATF-4) durch Phosphorylierung. Weiterhin phosphoryliert PKR IκB, wodurch der Transkriptionsfaktor NF-κB aktiviert wird. Durch das aktivierte NFκB werden die Interferone α/β gebildet, welche über die Aktivierung von IFNAR die Proteinsynthese hunderter Interferon-sensitiver Gene (ISG) einleiten und die angeborene Immunantwort aktivieren. Darunter befinden sich IL-1β, IL-6, IL-10, IL-18 und TNFα. Darüber hinaus phosphoryliert die PKR p53 und hat apoptotische Eigenschaften, um eine virale Replikation durch einen programmierten Zelltod zu unterbinden. Daneben phosphoryliert die PKR den Tumorsuppressor PP2A, DHX9, ILF3 und IRS1.

Neben der Serin/Threonin-Kinaseaktivität besitzt die PKR auch eine Tyrosinkinaseaktivität, die CDK1 an Position 4 phosphoryliert, woraufhin CDK1 ubiquitiniert und im Proteasom abgebaut wird. Daneben aktiviert sie den p38-MAP-Kinase-Weg durch Interaktion mit MAP2K6, C-Jun-N-terminale Kinasen (JNK) und die STAT-Proteine 1 und 3.

Aktivatoren und Inhibitoren

Indirekte Aktivatoren der PKR sind z. B. Bozepinib, Nitazoxanid (führt zu Ca²⁺-Ausschüttung aus dem endoplasmatischen Retikulum), BEPP und DHBDC. Indirekte Inhibitoren sind z. B. die ATP-Analoga C16 und 2-Aminopurin. Bei den Aktivatoren und Inhibitoren sind off-target-Effekte (Nebenwirkungen an anderen Stellen des Stoffwechsels) oft unbekannt.

Genexpression & Gendefekte

Das Gen der PKR wird durch Interferone induziert, die im Zuge einer Immunantwort gebildet werden. Daneben wird die PKR konstitutiv in allen Zelltypen (ubiquitär) exprimiert. Mutationen der PKR sind mit Leukoencephalopathy, Developmental Delay, And Episodic Neurologic Regression Syndrome (LEUDEN-Syndrom) und Dystonie 33 assoziiert.

Struktur

Die Proteinkinase R hat zwei RNA-bindende Proteindomänen am N-Terminus, dsRBM1 (Position 9–77) und dsRBM2 (Position 100–167), sowie eine Kinasedomäne am C-Terminus (Position 267–538). Die Kinasedomäne bindet Adenosintriphosphat (Position 273–281 und 296) als ein Substrat und als Cofaktor Mg²⁺, wie bei Kinasen üblich. Nach der Translation wird das Start-Methionin abgespalten und die zweite Aminosäure Alanin acetyliert. Die Lysine an den Positionen 69 und 159 können über eine Isopeptidbindung mit zwei Glycinen von ISG15 quervernetzt sein. Durch Autophosphorylierung sind S83, T88, T89, T90 und Y101 phosphoryliert.

Aufgrund von alternativem Spleißen entsteht bei der Translation der PKR eine zweite Isoform, die ab Position 272 eine von der ersten Isoform unterschiedliche Aminosäuresequenz aufweist, nur 510 Aminosäuren lang ist und eine Masse von 57.391 Dalton besitzt.

Interaktionen

Die PKR besitzt Protein-Protein-Interaktionen mit:

• ASK1,
• DNAJC3,
• ILF3,
• METAP2,
• P53,
• PPP1CA,
• PRKRA,
• STAT1,
• TARBP2.
• TRAF5

Immunevasion

Verschiedene Viren bilden zur Immunevasion Stoffe zur Hemmung der PKR:

Virale Abwehrmechanismen gegen die PKR

Typ	Virus	Molekül
Ablenkungs-dsRNA	Adenovirus	VAI RNA
	Epstein-Barr-Virus	EBER
	HIV	TAR
PKR-Abbau	Poliovirus	2A^pro
	Toskanavirus
	Rift-Valley-Virus	NSS
Maskierung der viralen dsRNA	Vacciniavirus	E3L
	Reoviridae	σ3
	Influenzavirus	NS1
Verhinderung der Dimerisierung	Influenzavirus	p58^IPK
	Hepatitis-C-Virus	NS5A
Pseudosubstrate	Vacciniavirus	K3L
	HIV	Tat
Dephosphorylierung des Substrats	Herpes-simplex-Viren	ICP34.5

Literatur

• H. C. Yim, B. R. Williams: Protein kinase R and the inflammasome. In: Journal of interferon & cytokine research : the official journal of the International Society for Interferon and Cytokine Research. Band 34, Nummer 6, Juni 2014, S. 447–454, doi:10.1089/jir.2014.0008, PMID 24905201.
• Y. S. Lee, N. Kunkeaw, Y. S. Lee: Protein kinase R and its cellular regulators in cancer: An active player or a surveillant? In: Wiley interdisciplinary reviews. RNA. Band 11, Nummer 2, 03 2020, S. e1558, doi:10.1002/wrna.1558, PMID 31231984.

Einzelnachweise

1. Uniprot: P19525. In: uniprot.org. Abgerufen am 20. September 2022 (englisch). 
2. M. Munir, M. Berg: The multiple faces of proteinkinase R in antiviral defense. In: Virulence. Band 4, Nummer 1, Januar 2013, S. 85–89, doi:10.4161/viru.23134, PMID 23314571, PMC 3544753 (freier Volltext).
3. R. Smyth, J. Sun: Protein Kinase R in Bacterial Infections: Friend or Foe? In: Frontiers in immunology. Band 12, 2021, S. 702142, doi:10.3389/fimmu.2021.702142, PMID 34305942, PMC 8297547 (freier Volltext).
4. N. W. Martinez, F. E. Gómez, S. Matus: The Potential Role of Protein Kinase R as a Regulator of Age-Related Neurodegeneration. In: Frontiers in aging neuroscience. Band 13, 2021, S. 638208, doi:10.3389/fnagi.2021.638208, PMID 33994991, PMC 8113420 (freier Volltext).
5. GeneCards: EIF2AK. In: genecards.org. Abgerufen am 20. September 2022. 
6. Takizawa T, Tatematsu C, Nakanishi Y: Double-stranded RNA-activated protein kinase interacts with apoptosis signal-regulating kinase 1. Implications for apoptosis signaling pathways. In: European Journal of Biochemistry. 269. Jahrgang, Nr. 24, Dezember 2002, S. 6126–32, doi:10.1046/j.1432-1033.2002.03325.x, PMID 12473108. 
7. Polyak SJ, Tang N, Wambach M, Barber GN, Katze MG: The P58 cellular inhibitor complexes with the interferon-induced, double-stranded RNA-dependent protein kinase, PKR, to regulate its autophosphorylation and activity. In: The Journal of Biological Chemistry. 271. Jahrgang, Nr. 3, Januar 1996, S. 1702–7, doi:10.1074/jbc.271.3.1702, PMID 8576172. 
8. Saunders LR, Perkins DJ, Balachandran S, Michaels R, Ford R, Mayeda A, Barber GN: Characterization of two evolutionarily conserved, alternatively spliced nuclear phosphoproteins, NFAR-1 and -2, that function in mRNA processing and interact with the double-stranded RNA-dependent protein kinase, PKR. In: The Journal of Biological Chemistry. 276. Jahrgang, Nr. 34, August 2001, S. 32300–12, doi:10.1074/jbc.M104207200, PMID 11438536. 
9. Langland JO, Kao PN, Jacobs BL: Nuclear factor-90 of activated T-cells: A double-stranded RNA-binding protein and substrate for the double-stranded RNA-dependent protein kinase, PKR. In: Biochemistry. 38. Jahrgang, Nr. 19, Mai 1999, S. 6361–8, doi:10.1021/bi982410u, PMID 10320367. 
10. Parker LM, Fierro-Monti I, Mathews MB: Nuclear factor 90 is a substrate and regulator of the eukaryotic initiation factor 2 kinase double-stranded RNA-activated protein kinase. In: The Journal of Biological Chemistry. 276. Jahrgang, Nr. 35, August 2001, S. 32522–30, doi:10.1074/jbc.M104408200, PMID 11438540. 
11. Patel RC, Vestal DJ, Xu Z, Bandyopadhyay S, Guo W, Erme SM, Williams BR, Sen GC: DRBP76, a double-stranded RNA-binding nuclear protein, is phosphorylated by the interferon-induced protein kinase, PKR. In: The Journal of Biological Chemistry. 274. Jahrgang, Nr. 29, Juli 1999, S. 20432–7, doi:10.1074/jbc.274.29.20432, PMID 10400669. 
12. Gil J, Esteban M, Roth D: In vivo regulation of the dsRNA-dependent protein kinase PKR by the cellular glycoprotein p67. In: Biochemistry. 39. Jahrgang, Nr. 51, Dezember 2000, S. 16016–25, doi:10.1021/bi001754t, PMID 11123929. 
13. Cuddihy AR, Wong AH, Tam NW, Li S, Koromilas AE: The double-stranded RNA activated protein kinase PKR physically associates with the tumor suppressor p53 protein and phosphorylates human p53 on serine 392 in vitro. In: Oncogene. 18. Jahrgang, Nr. 17, April 1999, S. 2690–702, doi:10.1038/sj.onc.1202620, PMID 10348343. 
14. Tan SL, Tareen SU, Melville MW, Blakely CM, Katze MG: The direct binding of the catalytic subunit of protein phosphatase 1 to the PKR protein kinase is necessary but not sufficient for inactivation and disruption of enzyme dimer formation. In: The Journal of Biological Chemistry. 277. Jahrgang, Nr. 39, September 2002, S. 36109–17, doi:10.1074/jbc.M205109200, PMID 12138106. 
15. Huang X, Hutchins B, Patel RC: The C-terminal, third conserved motif of the protein activator PACT plays an essential role in the activation of double-stranded-RNA-dependent protein kinase (PKR). In: The Biochemical Journal. 366. Jahrgang, Pt 1, August 2002, S. 175–86, doi:10.1042/BJ20020204, PMID 11985496, PMC 1222748 (freier Volltext). 
16. Patel RC, Sen GC: PACT, a protein activator of the interferon-induced protein kinase, PKR. In: The EMBO Journal. 17. Jahrgang, Nr. 15, August 1998, S. 4379–90, doi:10.1093/emboj/17.15.4379, PMID 9687506, PMC 1170771 (freier Volltext). 
17. Wong AH, Tam NW, Yang YL, Cuddihy AR, Li S, Kirchhoff S, Hauser H, Decker T, Koromilas AE: Physical association between STAT1 and the interferon-inducible protein kinase PKR and implications for interferon and double-stranded RNA signaling pathways. In: The EMBO Journal. 16. Jahrgang, Nr. 6, März 1997, S. 1291–304, doi:10.1093/emboj/16.6.1291, PMID 9135145, PMC 1169727 (freier Volltext). 
18. Wong AH, Durbin JE, Li S, Dever TE, Decker T, Koromilas AE: Enhanced antiviral and antiproliferative properties of a STAT1 mutant unable to interact with the protein kinase PKR. In: The Journal of Biological Chemistry. 276. Jahrgang, Nr. 17, April 2001, S. 13727–37, doi:10.1074/jbc.M011240200, PMID 11278865. 
19. Cosentino GP, Venkatesan S, Serluca FC, Green SR, Mathews MB, Sonenberg N: Double-stranded-RNA-dependent protein kinase and TAR RNA-binding protein form homo- and heterodimers in vivo. In: Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 92. Jahrgang, Nr. 21, Oktober 1995, S. 9445–9, doi:10.1073/pnas.92.21.9445, PMID 7568151, PMC 40818 (freier Volltext), bibcode:1995PNAS...92.9445C. 
20. Daher A, Longuet M, Dorin D, Bois F, Segeral E, Bannwarth S, Battisti PL, Purcell DF, Benarous R, Vaquero C, Meurs EF, Gatignol A: Two dimerization domains in the trans-activation response RNA-binding protein (TRBP) individually reverse the protein kinase R inhibition of HIV-1 long terminal repeat expression. In: The Journal of Biological Chemistry. 276. Jahrgang, Nr. 36, September 2001, S. 33899–905, doi:10.1074/jbc.M103584200, PMID 11438532. 
21. E. Dzananovic, S. A. McKenna, T. R. Patel: Viral proteins targeting host protein kinase R to evade an innate immune response: a mini review. In: Biotechnology & genetic engineering reviews. Band 34, Nummer 1, April 2018, S. 33–59, doi:10.1080/02648725.2018.1467151, PMID 29716441.
22. UniProt: P03496. In: uniprot.org. Abgerufen am 20. September 2022 (englisch). 

Normdaten (Sachbegriff): GND: 4796102-8 (lobid, OGND)