GCN2是一種在真核細胞中啟用綜合應激反應（integrated stress response， ISR）的保守受體激酶。GCN2在進化上在所有蛋白激酶中脫穎而出，這是因為它存在一個組氨酸-tRNA合成酶樣結構域（HRSL），該結構域僅在GCN2中出現，位於激酶結構域（KD）旁邊。HRSL如何參與GCN2訊號轉導尚不清楚。
2024年11月21日，普林斯頓大學Alexei Korennykh及深圳醫學科學院/普林斯頓大學顏寧團隊合作在PNAS Nexus線上發表題為“Cryo-EM structure of histidyl-tRNA synthetase-like domain reveals activating crossed helices at the core of GCN2”的研究論文，該研究報道了耐熱酵母（Kluyveromyces marxianus）HRSL的3.2 Å冷凍電鏡結構。該結構在受體核心的HRSL和KDs之間的交界處顯示了一個結構對稱的同型二聚體，具有緊密的螺旋束結構。
誘變表明這種連線結構激活了GCN2，並表明冷凍電鏡結構捕獲了HRSL的活性訊號狀態。基於這些結果，研究人員提出了GCN2的調控機制，其中HRSL驅動活化激酶二聚體的形成。GCN2的其餘結構域具有相反的作用，在沒有脅迫的情況下，它們有助於保持GCN2基本不活躍。這種自抑制活性在應激配體結合時被解除。總之，該研究提出，HRSL和其他GCN2結構域的相反作用因此產生一個受調控的ISR受體。
GCN2是四種翻譯起始因子2α (eIF2α)激酶家族中的一種應激激酶。這些激酶感知應激細胞中特異性產生的訊號分子，並磷酸化翻譯起始因子eIF2α的調節絲氨酸殘基。eIF2α的磷酸化抑制了蛋白質合成的起始步驟，激活了綜合應激反應（integrated stress response， ISR），使細胞適應應激。ISR試圖透過重程式設計基因表達來重建正常的細胞功能，如果無法實現穩態，ISR會啟用細胞凋亡。
四種ISR受體激酶分別是GCN2、HRI、PERK和PKR。它們含有同源激酶結構域（KDs），可以識別並磷酸化eIF2α。KDs與每個家庭成員不同的應激感知和調節域有關。這些域允許GCN2感覺細胞的營養狀況，HRI血紅素感覺。根據訓練的型別，GCN2−/−老鼠可以表現出增強或學習能力受損,支援ISR在認知過程中的廣泛作用。
文章模式圖（圖源自PNAS Nexus）
結構和生化研究表明，ISR激酶的調控使用同源二聚化，儘管所有ISR激酶的二聚化偶聯到配體感應結構域的確切機制仍然知之甚少。四種受體中的兩種：PERK和PKR的每個主要結構域的結構都是可用的。這些結構與生化和其他研究可能提供了ISR激酶之間最完整的調控模型。GCN2是最大的具有5個球狀結構域的ISR受體激酶。已經報道了三個GCN2結構域的結構。在N端，GCN2含有Ring finger-WD repeat-DEAD樣解旋酶結構域（RWD），該結構域形成穩定的同型二聚體，並與GCN2伴侶蛋白GCN1/GCN20結合。
在C端，GCN2含有C端結構域（CTD），該結構域也形成同型二聚體，顯然具有兩種功能：與核糖體結合和激酶的自抑制。最後，KD的結構已經確定了兩個功能相關的二聚體狀態。GCN2偽激酶結構域（ΨKD）的結構被認為有助於GCN2活化，但其結構仍然未知。最大的GCN2結構域，與組氨酸-tRNA合成酶HisRS共享22%的序列同源性，直到最近才在結構上得到表徵。
GCN2主要結構域的結構資訊缺失，以及在其他研究得更好的蛋白激酶中缺乏tRNA合成酶樣結構域，限制了我們對GCN2分子機制的理解。為了突破這一限制，研究人員對GCN2 HRSL進行了單粒子冷凍電鏡和生化分析，為HRSL的功能提供了新的見解。
參考訊息：
https://doi.org/10.1093/pnasnexus/pgae528
