細菌翻訳
細菌におけるタンパク質合成プロセス

遺伝子発現は、 DNAからmRNAへの転写と、リボソームでの翻訳によって行われます。真核生物とは異なり、原核生物には核がないため、リボソームがmRNAの一端に結合し、もう一端で転写が継続されます。凡例：1 - RNAポリメラーゼ、2 -細胞質、3 -細胞膜、4 - DNA、5 - リボソーム、6 -アミノ酸、7 -ポリペプチド鎖、8 - mRNA

細菌翻訳は、細菌内でメッセンジャーRNAがタンパク質に翻訳されるプロセスです。

入会

細菌における翻訳の開始には、翻訳系の構成要素である2つのリボソームサブユニット（50Sサブユニットと30Sサブユニット）、翻訳される成熟mRNA、N-ホルミルメチオニン（新生ペプチドの最初のアミノ酸）を荷電したtRNA、エネルギー源としてのグアノシン三リン酸（GTP）、そして開始複合体の組み立てを助ける3つの細菌開始因子IF1、IF2、IF3の組み立てが関与する。このメカニズムには様々なバリエーションが予想される。[1]

リボソームには3つの活性部位、A部位、P部位、E部位があります。A部位はアミノアシルtRNAの入り口です（最初のアミノアシルtRNAはP部位から入ります）。P部位はリボソーム内でペプチジルtRNAが形成される場所です。そしてE部位は、成長中のペプチド鎖にアミノ酸を付与した後、荷電を失ったtRNAが出口となる部位です。 [1]

標準的な開始：シャイン・ダルガルノ系列

大腸菌のmRNAの大部分は、シャイン・ダルガルノ（SD）配列で始まっています。このSD配列は、30Sサブユニットの16S rRNA成分上の相補的な「アンチSD」領域によって認識されます。標準的なモデルでは、まず30Sリボソームが3つの開始因子と結合し、不安定な「開始前複合体」を形成します。次に、mRNAはこのアンチSD領域と対合し、二本鎖RNA構造を形成し、開始コドンをP部位に大まかに配置します。開始tRNA fMetが到着し、IF2の助けを借りて配置され、翻訳が開始されます。[1]

標準的なモデルにも多くの不確実性が存在する。開始部位は厳密にAUGに限定されないことが示されている。AUG開始コドンを持たない既知のコード領域としては、大腸菌lacオペロン中のlacI（GUG）[2]とlacA（UUG）が挙げられる[3]。2つの研究はそれぞれ独立して、大腸菌において17個以上のAUG以外の開始コドンが翻訳を開始する可能性があることを示している[ 4] 。[5]しかしながら、AUGは少なくともあらゆる可能性の中で最も強い開始コドンであると考えられる[1] 。

SD配列は厳密には必要ではないようです。なぜなら、多くのmRNAはSD配列を欠いていても翻訳されるからです。バクテロイデス門のような細菌門全体は、SD配列を使用していません。また、単にSD配列にAUGが続くだけでは、翻訳を開始させるのに十分ではありません。少なくとも、大腸菌では非常に重要な開始シグナルとして機能します。[1]

70Sスキャンモデル

ポリシストロニックmRNAを翻訳する際、70Sリボソームは終止コドンで翻訳を終了します。現在では、リボソームはすぐに2つの半分に分裂するのではなく、別のシャイン・ダルガルノ配列と下流の開始コドンに到達するまで前方に「スキャン」し、IF2とIF3の助けを借りて別の翻訳を開始できることが示されています。[6]このモードは、ポリシストロニックオペロンにクラスター化された遺伝子の翻訳に重要であると考えられています。ポリシストロニックオペロンでは、同一mRNA分子上の隣接する遺伝子間の距離が短いため、標準的な結合モードが阻害される可能性があります。[7]

リーダーレスイニシエーション

多くの細菌mRNAは5'UTRを全く持たないか、非常に短い。完全な70Sリボソームは、IF2（fMet-tRNAをリクルートする）の助けを借りて[8] 、このような「リーダーレス」mRNAの翻訳を開始することができる。[1]

リーダーレス開始の効率は多くの要因によって変化する。開始コドンに付加された5'リン酸基はほぼ必須であると考えられる。[1] AUGは大腸菌では非常に優先されるが、他の種では必ずしもそうではない。IF3はリーダーレス開始を阻害する。[1] 5'UTRが長い場合や、二次構造が顕著な場合も、リーダーレス開始を阻害する。[9]

伸長

ポリペプチド鎖の伸長には、伸長する鎖のカルボキシル末端へのアミノ酸の付加が含まれる。伸長したタンパク質は、大サブユニットのポリペプチド出口トンネルを通ってリボソームから排出される。 [10]

伸長は、fMet-tRNAがP部位に入ると開始し、新しいアミノアシルtRNAが結合するためのA部位を開く構造変化を引き起こします。この結合は、小さなGTPaseである伸長因子Tu （EF-Tu）によって促進されます。適切なtRNAを迅速かつ正確に認識するために、リボソームは大きな構造変化（構造校正）を利用します。[11] これで、P部位にはコードされるタンパク質のペプチド鎖の始まりが含まれ、A部位にはペプチド鎖に追加される次のアミノ酸が含まれます。P部位のtRNAに結合していた成長中のポリペプチドは、P部位のtRNAから切り離され、ポリペプチドの最後のアミノ酸とA部位のtRNAにまだ結合しているアミノ酸との間にペプチド結合が形成されます。ペプチド結合形成として知られるこのプロセスは、リボザイム（ 50Sリボソームサブユニットの23SリボソームRNA）によって触媒されます。[12]ここで、A部位には新しく形成されたペプチドがあり、P部位には荷電されていないtRNA（アミノ酸を持たないtRNA）があります。A部位のtRNAで新しく形成されたペプチドはジペプチドと呼ばれ、アセンブリ全体はジペプチジルtRNAと呼ばれます。P部位のアミノ酸を除いたtRNAは脱アシル化されています。伸長の最終段階は転座と呼ばれ、脱アシル化されたtRNA（P部位）とジペプチジルtRNA（A部位）は対応するコドンとともにそれぞれEサイトとPサイトに移動し、新しいコドンがAサイトに移動する。このプロセスは伸長因子G（EF-G）によって触媒される。Eサイトの脱アシル化されたtRNAは、EF-Tuによって再び促進されるアミノアシルtRNAによる次のAサイトの占有中にリボソームから放出されます。[13]

リボソームは、さらに多くのアミノアシル tRNA が A サイトに結合するにつれて、mRNA 上の残りのコドンの翻訳を継続し、リボソームが mRNA 上の終止コドン (UAA、UGA、または UAG) に到達するまで翻訳を続けます。

翻訳機構は、DNA複製を触媒する酵素系と比較して、比較的ゆっくりと動作します。細菌のタンパク質は1秒あたりわずか18アミノ酸残基という速度で合成されますが、細菌のレプリソームは1秒あたり1000ヌクレオチドという速度でDNAを合成します。この速度の違いは、核酸を作るために4種類のヌクレオチドを重合させるのと、タンパク質を作るために20種類のアミノ酸を重合させるのとの違いを反映しています。

不正確なアミノアシルtRNA分子を検査して排除するには時間がかかり、タンパク質合成を遅らせます。細菌では、mRNAの5'末端が合成されるとすぐに翻訳が開始され、翻訳と転写が連動します。真核生物では、転写と翻訳が細胞内の別々の区画（核と細胞質）で行われるため、これは不可能です。

終了

終結は、3つの終結コドンのうちの1つが Aサイトに移動することで起こります。これらのコドンはtRNAによって認識されません。代わりに、解離因子と呼ばれるタンパク質、すなわちRF1（UAAおよびUAG終止コドンを認識）またはRF2（UAAおよびUGA終止コドンを認識）によって認識されます。これらの因子は、ペプチジルtRNAのエステル結合の加水分解を引き起こし、新しく合成されたタンパク質をリボソームから解離させます。3つ目の解離因子RF-3は、終結プロセスの最後にRF-1とRF-2の解離を触媒します。

リサイクル

終結ステップの終了時に形成される終結後複合体は、A部位に終結コドンを持つmRNA、P部位に電荷を持たないtRNA、そして無傷の70Sリボソームから構成される。リボソームリサイクリングステップは、終結後リボソーム複合体の分解を担う。[14]終結により新生タンパク質が放出されると、リボソームリサイクリング因子と伸長因子G（EF-G）が機能し、mRNAとtRNAをリボソームから放出し、70Sリボソームを30Sサブユニットと50Sサブユニットに解離する。その後、IF3が脱アシル化されたtRNAと置き換わり、mRNAが放出される。これにより、すべての翻訳構成要素が次の翻訳ラウンドのために自由になる。

tRNAによってはIF1～IF3もリサイクリングを行う可能性がある。[15]

ポリソーム

翻訳は複数のリボソームによって同時に行われます。リボソームは比較的大きいため、mRNA上の35ヌクレオチド離れた部位にしか結合できません。1つのmRNAと複数のリボソームからなる複合体は、ポリソームまたはポリリボソームと呼ばれます。[16]

翻訳の規制

細菌細胞は栄養素がなくなると定常期に入り、タンパク質合成が低下します。この遷移にはいくつかのプロセスが関与しています。[17]例えば、大腸菌では、70Sリボソームは6.5 kDaの小さなタンパク質であるリボソーム調節因子RMFと結合して90S二量体を形成します。[18] [19]これらの中間体リボソーム二量体は、その後、冬眠促進因子（10.8 kDaのタンパク質、HPF）分子と結合して成熟した100Sリボソーム粒子を形成し、その二量体化界面は、関与する2つのリボソームの2つの30Sサブユニットによって形成されます。[20]リボソーム二量体は冬眠状態を表し、翻訳的には不活性です。[21]大腸菌細胞が定常期に入るときにリボソームに結合できる3つ目のタンパク質は、YfiA（以前はRaiAとして知られていました）です。[22] HPFとYfiAは構造的に類似しており、どちらのタンパク質もリボソームの触媒A部位とP部位に結合できる。[23] [24] RMFは、メッセンジャーRNAと16S rRNAの相互作用を阻害することで、リボソームのmRNAへの結合を阻害する。[25]大腸菌YfiAのC末端はリボソームに結合するとRMFの結合を阻害し、二量体化を阻害して翻訳不活性な単量体70Sリボソームを形成する。[25] [26]

RsfS（= RsfA）によるリボソームサブユニット解離のメカニズム。RsfSは、細胞が飢餓状態（"S"）になり、アミノ酸が不足すると、翻訳を不活性化する。[27]

リボソームの二量体化に加えて、2つのリボソームサブユニットの結合はRsfS（以前はRsfAまたはYbeBと呼ばれていました）によって阻害されます。[27] RsfSは大リボソームサブユニットのタンパク質であるL14に結合し、それによって小サブユニットの結合を阻害して機能的な70Sリボソームを形成し、翻訳を遅くしたり完全に阻害したりします。RsfSタンパク質はほぼすべての真正細菌に存在し（古細菌には存在しない）、ホモログはミトコンドリアと葉緑体にも存在します（それぞれMALSU1とiojapと呼ばれています）。しかし、RsfSの発現や活性がどのように制御されるかはまだわかっていません。

大腸菌におけるもう一つのリボソーム解離因子はHflXであり、これまでは機能不明のGTPaseであった。Zhangら（2015）は、HflXが熱ショック誘導性リボソーム分割因子であり、空リボソームだけでなくmRNA結合リボソームも解離できることを示した。HflXのN末端エフェクタードメインは、クラスI遊離因子と驚くほど類似した様式でペプチジルトランスフェラーゼ中心に結合し、中心サブユニット間ブリッジの劇的な構造変化を誘導することで、サブユニット解離を促進する。したがって、HflXの欠損は、熱ショックやその他のストレス条件下で停滞リボソームの増加につながる可能性がある。[28]

抗生物質の効果

いくつかの抗生物質は、細菌の翻訳プロセスを標的として作用します。細菌と真核生物の翻訳機構の違いを利用し、宿主に影響を与えることなく細菌におけるタンパク質合成を選択的に阻害します。

参照

参考文献

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