真核生物のリボソーム

リボソームは、タンパク質の合成（翻訳と呼ばれる）を触媒する、大きくて複雑な分子機械です。リボソームは、タンパク質をコードするメッセンジャーRNA （mRNA）の配列に基づいて、アミノアシル化された転移RNA （tRNA）を選択し、アミノ酸を共有結合させてポリペプチド鎖にします。すべての生物のリボソームは、高度に保存された触媒中心を共有しています。しかし、真核生物（動物、植物、真菌、および核を持つ多数の単細胞生物）のリボソームは、原核生物（細菌および古細菌）のリボソームよりもはるかに大きく、より複雑な制御と生合成経路の対象となっています。^{[1] [2]}真核生物のリボソームは、スベドベリ単位での沈降係数にちなんで、 80Sリボソームとも呼ばれています。これは、真核生物（ 70S）リボソームよりも速く沈降するためです。真核生物のリボソームには、沈降係数に応じて小サブユニット(40S) と大サブユニット(60S) と呼ばれる 2 つの不均等なサブユニットがあります。両方のサブユニットには、リボソーム RNA (rRNA)で構成された足場上に配列された数十のリボソームタンパク質が含まれています。小サブユニットはtRNAアンチコドンと mRNA 間の相補性を監視し、大サブユニットはペプチド結合の形成を触媒します。

真核生物のリボソームタンパク質の多くは、原核生物の相同タンパク質と比較して、保存されたコアへの挿入または延長によって拡大しています。さらに、真核生物のリボソームの小サブユニットと大サブユニットには、原核生物の相同タンパク質が存在しない追加のタンパク質がいくつか存在します。40S サブユニットには、原核生物の16S rRNAと相同な18S リボソームRNA (略して 18S rRNA)が含まれています。60S サブユニットには、原核生物の23S リボソーム RNAと相同な28S rRNAが含まれています。さらに、23S rRNA の 5' 末端に相当する 5.8S rRNA と、短い 5S rRNA が含まれています。 18S と 28S はどちらも、原核生物のコア rRNA フォールドに複数の挿入があり、これを拡張セグメントと呼びます。古細菌や細菌の相同体を含むタンパク質の詳細なリストについては、40Sおよび60Sサブユニットに関する別の記事を参照してください。最近の研究では、リボソームの構成に不均一性があることが示唆されています。つまり、野生型酵母細胞と胚性幹細胞のコア リボソーム タンパク質間の化学量論は、成長条件と mRNA あたりに結合するリボソームの数の両方に依存します。^[3]

真核生物のリボソームの初期構造は、電子顕微鏡法によって決定された。酵母^[5] と哺乳類のリボソーム^{[6]について、最初の3D構造が30～40 Åの解像度で得られた。[ 7]}クライオ電子顕微鏡 法による酵母リボソームの高解像度構造により、タンパク質とRNAの構造要素の同定が可能になった。^[8] さらに最近では、リボソームと翻訳に関与する因子の複合体の構造が、ナノメートル未満の解像度で得られた。^{[9] [10] [11]} 1990年代に 初めて細菌^{[12] [13] [14]} と古細菌^{[15]のリボソーム構造が原子分解能で決定された後、}十分な品質の結晶を得ることが困難であったため 、2011年に真核生物のリボソームの高解像度構造がX線結晶構造解析によって得られるまでさらに10年を要した。^{[16] [17] [18]}テトラヒメナ・サーモフィラ の真核生物40Sリボソーム構造の完全な構造が発表され、翻訳開始時の40SサブユニットとeIF1の相互作用についても多くのことが説明されました。 ^[16]真核生物の60Sサブユニット構造も、eIF6と複合体を形成したT.サーモフィラから決定されました。^[17]酵母サッカロミセス・セレビシエの真核生物80Sリボソームの完全な構造は、3.0Åの解像度で結晶構造解析によって得られました。^[18]これらの構造は、真核生物特有の要素の正確な構造、普遍的に保存されたコアとの相互作用、および2つのリボソームサブユニット間の真核生物特有のブリッジをすべて明らかにしています。

真核生物リボソームの原子座標(PDB ファイル)と構造因子は、次のアクセス コードで タンパク質データ バンク (PDB)に保存されています。

リボソームの一般的な構造的特徴は、界を越えて保存されている: ^[20]小サブユニットの構造は、頭部と胴体という2つの大きなセグメントに分けられる。胴体の特徴的な特徴には、左右の足、肩、プラットフォームがある。頭部には、鳥のくちばしを思わせる尖った突起がある。大サブユニットの特徴的な「クラウンビュー」では、中央の突起、L1-柄、P-柄が構造上の目印となる。^{[21] [22]真核生物特有のRNAとタンパク質要素の大部分は、40S [16]}と60S ^[17]サブユニット の溶媒に露出した側にある。サブユニットインターフェース、およびペプチジルトランスフェラーゼセンターやデコード部位などの重要な機能領域は、周囲の領域でいくつかの違いが見られるものの、大部分は保存されている。主に RNA と相互作用する原核生物のリボソームタンパク質とは対照的に、真核生物特有のタンパク質セグメントは、多数のタンパク質間相互作用に関与しています。長距離相互作用は、真核生物特有のリボソームタンパク質のらせん状の延長によって媒介され、いくつかの真核生物のリボソームタンパク質が共同してタンパク質間ベータシートを形成します。

リボソーム RNA コアは灰色のチューブで表され、拡張セグメントは赤で表示されます。普遍的に保存されているタンパク質は青で表示されます。これらのタンパク質は、真核生物、古細菌、細菌に相同性があります。真核生物と古細菌の間でのみ共有されるタンパク質はオレンジで表示され、真核生物に固有のタンパク質は赤で表示されます。

40Sサブユニットの構造から、真核生物特異的タンパク質（rpS7、rpS10、rpS12、RACK1）と多数の真核生物特異的タンパク質延長部が小サブユニットの溶媒露出側に位置することが明らかになった。^[16]ここで、それらはrRNA拡張セグメントの安定化に関与している。さらに、rRNAがタンパク質rpS10とrpS12に置き換えられたため、40Sサブユニットのビークが改造されている。^[16] 40Sサブユニットで観察されたように、60Sサブユニットのすべての真核生物特異的タンパク質（RPL6、RPL22、RPL27、RPL28、RPL29、RPL36）と多数の延長部が溶媒露出側に位置し、真核生物特異的RNA拡張セグメントとの複雑な相互作用ネットワークを形成している。 RPL6、RPL27、RPL29はそれぞれESセットES7～ES39、ES31～ES20～ES26、ES9～ES12とRPL28安定化拡張セグメントES7Aとの間の接触を仲介する。^[17]

真核生物では、小サブユニットタンパク質RPS27A（またはeS31）と大サブユニットタンパク質RPL40（またはeL40）は処理されたポリペプチドであり、 N末端ユビキチンドメインを持つ融合タンパク質として翻訳される。両タンパク質はリボソームの重要な機能中心の隣に位置しており、eS31）とeL40の切断されていないユビキチンドメインは、それぞれデコード部位と翻訳因子結合部位の近くに配置される。これらの位置は、タンパク質分解による切断が機能的なリボソームの生成に不可欠なステップであることを示唆している。^{[16] [17]}実際、eS31のコアとユビキチンドメインの間のリンカーの変異は酵母では致命的である。^[23]

細菌、古細菌、真核生物のリボソーム構造を比較すると、活性部位、別名ペプチジルトランスフェラーゼセンター（PTC）領域で非常に高度な保存性が明らかになっています。真核生物特有のタンパク質要素はどれも、触媒に直接関与できるほど近くにはありません。^{[17]しかし、RPL29は}T. thermophilaの活性部位から18Å以内に突出しており、真核生物特有の伸長部は60SサブユニットのPTC付近でいくつかのタンパク質を連結しています。 ^{[17] [21]}一方、対応する50Sタンパク質は単一の実体です。^[15]

2 つのリボソームサブユニット間の接触は、サブユニット間ブリッジとして知られています。真核生物のリボソームでは、60S 拡張セグメントとタンパク質によって追加の接触が行われます。^[24]具体的には、60S タンパク質 RPL19 の C 末端拡張は 40S rRNA の ES6E と相互作用し、60S タンパク質 RPL24 の C 末端拡張は 40S rpS6 および rRNA ヘリックス h10 と相互作用します。さらに、60S 拡張セグメント ES31 および ES41 はそれぞれ 40S サブユニットの rpS3A(S1) および rpS8 と相互作用し、基本的な 25 アミノ酸ペプチド RPL41 は 80S リボソームのサブユニットインターフェイスに位置し、両方のサブユニットの rRNA 要素と相互作用します。^{[21] [24]}

2つの40Sリボソームタンパク質（RACK1とRPS6（またはeS6））は、細胞シグナル伝達に関与していると考えられています。RACK1は、活性化タンパク質キナーゼC（PKC）の受容体として最初に説明され、真核生物のリボソームの不可欠な構成要素であり、後頭部に位置しています。^[16] RACK1は、シグナル伝達経路をリボソームに直接リンクする可能性がありますが、無関係と思われる複数の翻訳プロセスにも役割を果たしています（^[25]でレビューされています）。リボソームタンパク質eS6は、40Sサブユニットの右足に位置しており^{[16] 、}哺乳類ラパマイシン標的タンパク質（mTOR）シグナル伝達に応答してリン酸化されます。^[26]

タンパク質合成は主に翻訳開始の段階で制御される。真核生物では、標準的な開始経路には少なくとも12のタンパク質開始因子が必要であり、そのうちのいくつかはそれ自体が大きな複合体である。^[27] 40S:eIF1 ^[16]および60S:eIF6 ^[17]複合体の構造は、真核生物のリボソームと制​​御因子間の原子相互作用に関する最初の詳細な洞察を提供する。eIF1は開始コドンの選択に関与し、eIF6はサブユニットの結合を立体的に妨げる。しかし、真核生物の開始因子とリボソームとの相互作用に関する構造情報は限られており、主に相同性モデルまたは低解像度の解析から得られている。^[28]真核生物のリボソームと開始因子の相互作用を原子レベルで解明することは、制御プロセスの機構的理解に不可欠ですが、開始複合体の固有のダイナミクスと柔軟性のため、大きな技術的課題となります。哺乳類の前開始複合体の最初の構造は、クライオ電子顕微鏡法によって行われました。^[29]クライオ電子顕微鏡の技術的改善により、開始複合体の他の構造もすぐに続きました。^{[30] [31]}これらの構造は、真核生物における翻訳開始のプロセスをよりよく理解するのに役立ちます。

最近の遺伝学的証拠は、真核生物のリボソームの個々のタンパク質が翻訳の調節に直接寄与していることを示唆していると解釈されている。^{[32] [33] [34]}しかし、この解釈は議論の余地があり、一部の研究者は、リボソームタンパク質遺伝子の遺伝的変化が、リボソーム全体の数やリボソームの生合成プロセスに間接的に影響を及ぼすと提案している。^{[35] [36]}

細胞内で機能を発揮するには、新しく合成されたタンパク質を細胞内の適切な場所に標的化する必要がありますが、これはタンパク質標的化および転座システムによって実現されます。^[37]成長中のポリペプチドは、大きなサブユニットの狭いトンネルを通ってリボソームから出ます。60Sサブユニットの出口トンネル周辺の領域は、細菌および古細菌の50Sサブユニットと非常によく似ています。追加の要素は、トンネル出口周辺のタンパク質の第2層に制限されていますが、これはおそらく転座機構のコンポーネントとの保存された相互作用によるものです。^[17]標的化および転座機構は、真核生物でははるかに複雑です。^[38]

リボソーム病は、リボソームタンパク質やrRNA遺伝子、またはリボソーム生合成に関与する産物を生成する他の遺伝子の欠陥によって生じる先天性のヒト疾患である。 ^[39]例としては、 X連鎖性先天性角化異常症（X-DC）^[40] 、ダイアモンド・ブラックファン貧血[ ^{41] 、} トリーチャー・コリンズ症候群（TCS）^{[41] [42]}、シュワッハマン・ボディアン・ダイアモンド症候群（SBDS）^[39]などがある。SBDSは、GTPase EFL1によるGTP加水分解と60SサブユニットからのeIF6の放出を結合させる能力に影響を与えるSBDSタンパク質の変異によって引き起こされる。^[43]

リボソームは抗菌剤の主要な薬物ターゲットであり、伸長サイクルのさまざまな段階で翻訳を阻害します^[44]。臨床的に関連する翻訳化合物のほとんどは細菌の翻訳の阻害剤ですが、真核生物の翻訳の阻害剤も、がんや抗真菌化学療法への応用のための治療の可能性を秘めています。^[45]伸長阻害剤は、「生体内」および「試験管内」で抗腫瘍活性を示します。^{[46] [47] [48]}真核生物の翻訳伸長に対する毒性阻害剤の1つは、グルタルイミド抗生物質シクロヘキシミド（CHX）であり、真核生物の60Sサブユニットと共結晶化されており^[17]、リボソームE部位に結合します。真核生物リボソームの構造的特徴^{[16] [17] [24]}により、構造に基づく手法を用いて新規抗菌剤を設計することが可能となり、真核生物リボソームと細菌リボソームの違いを利用して薬剤の選択性を向上させ、副作用を軽減することができるようになる。

真核生物のリボソームは核小体で生成され、組み立てられます。リボソームタンパク質は核小体に入り、4 つの rRNA 鎖と結合して 2 つのリボソームサブユニット (1 つは小さく、もう 1 つは大きい) を形成し、完成したリボソームを構成します。リボソームユニットは核孔を通って核から出て、タンパク質合成のために細胞質で一度結合します。

• 「EMDB-1067: S. cerevisiae 由来のリボソーム 80S-eEF2-ソルダリン複合体 - EM Navigator」。emnavi.protein.osaka-u.ac.jp。2012-12-19 にオリジナルからアーカイブ。2009-08-06に取得。
• Giavalisco P、Wilson D、 Kreitler T、他 (2005 年 3 月)。「シロイヌナズナ 80S リボソームのリボソームタンパク質内の高い異質性」。Plant Mol . Biol . 57 (4): 577–591。doi :10.1007  / s11103-005-0699-3。hdl : 11858/ 00-001M -0000-0010-86C6-1。PMID 15821981。S2CID 14500573  。
• 「リボソーム」 www.cs.stedwards.edu。2009年3月20日時点のオリジナルよりアーカイブ。2009年8月6日閲覧。