eIF2αリン酸化によるeIF2b作用と調節の新しいメカニズム

真核生物翻訳開始因子（eIF2）はヘテロシマーなGTPaseであり、タンパク質合成調節に重要な役割を果たします。eIF2-GTPはmet-trnaiに結合して、40年代のリボソームサブユニットに募集されるeif2-gtp•met-trnai三元複合体（TC）を形成します。GTP加水分解に続いて、eIF2-GDPは、グアニンヌクレオチド交換因子（GEF）、eIF2bによってTCにリサイクルされます。さまざまな細胞ストレスに応答したeIF2αサブユニットのリン酸化は、eIF2をEIF2Bの競合阻害剤に変換し、統合ストレス応答（ISR）を引き起こします。EIF2B活性の調節不全は、神経変性疾患、代謝障害、癌を含む多くの病理に関連しています。しかし、何十年にもわたる研究にもかかわらず、eIF2Bの作用と調節の根底にある分子メカニズムは不明のままです。ここでは、NMR、蛍光分光法、部位指向変異誘発、および熱力学の組み合わせを採用して、基質eIF2のリン酸化によるeIF2B作用のメカニズムとその調節を解明します。（i）EIF2αのリン酸化がeIF2α内の自己調節の分子相互作用を不安定にするEIF2B活性の阻害のための新しいメカニズム。（ii）eIF2B触媒メカニズムに直接的な意味を持つ、その基質、eIF2-GDP、反応中間体、apo-EIF2およびeIF2-GTP、および生成物TCを含むeIF2Bの複合体の最初の構造モデル。

Eukaryotic translation initiation factor 2 (eIF2) is a heterotrimeric GTPase, which plays a critical role in protein synthesis regulation. eIF2-GTP binds Met-tRNAi to form the eIF2-GTP•Met-tRNAi ternary complex (TC), which is recruited to the 40S ribosomal subunit. Following GTP hydrolysis, eIF2-GDP is recycled back to TC by its guanine nucleotide exchange factor (GEF), eIF2B. Phosphorylation of the eIF2α subunit in response to various cellular stresses converts eIF2 into a competitive inhibitor of eIF2B, which triggers the integrated stress response (ISR). Dysregulation of eIF2B activity is associated with a number of pathologies, including neurodegenerative diseases, metabolic disorders, and cancer. However, despite decades of research, the underlying molecular mechanisms of eIF2B action and regulation remain unknown. Here we employ a combination of NMR, fluorescence spectroscopy, site-directed mutagenesis, and thermodynamics to elucidate the mechanisms of eIF2B action and its regulation by phosphorylation of the substrate eIF2. We present: (i) a novel mechanism for the inhibition of eIF2B activity, whereby eIF2α phosphorylation destabilizes an autoregulatory intramolecular interaction within eIF2α; and (ii) the first structural model for the complex of eIF2B with its substrate, eIF2-GDP, reaction intermediates, apo-eIF2 and eIF2-GTP, and product, TC, with direct implications for the eIF2B catalytic mechanism.