アミノアシルtRNA。矢印の上にtRNA、矢印の下に一般的なアミノ酸が示されている。tRNA構造の大部分は、簡略化されたカラフルな球棒モデルで表されている。末端のアデノシンとアミノ酸は構造式で示されている。矢印は、アミノ酸とtRNA間のエステル結合を示している。アミノアシルtRNA（aa-tRNAまたは荷電tRNAとも呼ばれる）は、対応するアミノ酸が化学的に結合（荷電）したtRNAである。aa-tRNAは、特定の伸長因子とともに、翻訳中に生成されるポリペプチド鎖に組み込まれるために、アミノ酸をリボソームに運ぶ。
アミノ酸単独では、成長中のポリペプチド鎖内でペプチド結合を形成するために必要な基質ではありません。代わりに、アミノ酸はtRNAで「荷電」またはアミノアシル化されて、それぞれのaa-tRNAを形成する必要があります。 [ 1 ]すべてのアミノ酸は、それぞれ固有のアミノアシルtRNA合成酵素を持ち、これは、特異的な、つまり「同族」のtRNAに化学的に結合するために使用されます。tRNAとその同族アミノ酸のペアリングは、tRNAのアンチコドンに一致し、ひいてはmRNAのコドンに一致する特定のアミノ酸のみがタンパク質合成中に使用されることを保証するため、非常に重要です。
ポリペプチド鎖に誤ったアミノ酸が組み込まれる翻訳エラーを防ぐために、進化はアミノアシルtRNA合成酵素の校正機能を備えており、これらのメカニズムはアミノ酸とその対応するtRNAの適切なペアリングを保証します。[ 2 ]正しいtRNA基質と誤ってアシル化されたアミノ酸は、アミノアシルtRNA合成酵素が持つ脱アシル化メカニズムによって加水分解されます。[ 3 ]
遺伝暗号の縮重性により、複数のtRNAが同じアミノ酸を持ちながら異なるアンチコドンを持つことがあります。これらの異なるtRNAはアイソアクセプターと呼ばれます。特定の状況下では、非コグネイトアミノ酸が結合し、誤ってアミノアシル化されたtRNAが生じます。これらの誤ってアミノアシル化されたtRNAは、タンパク質の誤った合成を防ぐために加水分解されなければなりません。
アミノアシルtRNA（aa-tRNA）は、タンパク質合成において、主にmRNAのコード鎖とコードされたポリペプチド鎖との間の中間的な役割を果たすが、他のいくつかの生合成経路においても機能することが分かっている。aa-tRNAは、細胞壁、抗生物質、脂質、タンパク質分解などの生合成経路において基質として機能することが確認されている。
aa-tRNAは、脂質の修飾や抗生物質の生合成に必要なアミノ酸の供与体として機能する可能性があると考えられている。例えば、微生物の生合成遺伝子クラスターは、非リボソームペプチドやその他のアミノ酸含有代謝物の合成にaa-tRNAを利用する可能性がある。[ 4 ]
合成
アミノアシルtRNAは2段階で生成される。まず、アミノ酸のアデニル化によってアミノアシルAMPが形成される。
- アミノ酸 + ATP → アミノアシル-AMP + PP i
第二に、アミノ酸残基がtRNAに転移される。
- アミノアシル-AMP + tRNA → アミノアシル-tRNA + AMP
全体的な正味反応は次のとおりです。
- アミノ酸 + ATP + tRNA → アミノアシルtRNA + AMP + PP i
正味の反応がエネルギー的に有利なのは、ピロリン酸（PPi）が後に加水分解されるためである。ピロリン酸が2分子の無機リン酸（Pi）に加水分解される反応はエネルギー的に非常に有利であり、他の2つの反応を促進する。これらの非常に発エルゴン的な反応は、そのアミノ酸に特異的なアミノアシルtRNA合成酵素内で同時に起こる。[ 5 ] [ 6 ]
安定性と加水分解
aa-tRNAの安定性に関する研究では、tRNA自体の配列ではなく、アシル（またはエステル）結合が最も重要な決定因子であることが示されています。この結合は、アミノ酸のカルボキシル基を対応するtRNAの末端3'-OH基に化学的に結合するエステル結合です。[ 7 ]特定のaa-tRNAのアミノ酸部分がその構造的完全性を提供することが発見されています。tRNA部分は、アミノ酸が成長中のポリペプチド鎖にどのように、いつ組み込まれるかを大部分決定します。[ 8 ]
異なる aa-tRNA は、アミノ酸と tRNA の間のエステル結合の加水分解の擬一次速度定数が異なります。[ 9 ]このような観察は、主に立体効果によるものです。立体障害は、アミノ酸の特定の側鎖グループによって提供され、エステルカルボニルへの分子間攻撃を阻害するのに役立ちます。これらの分子間攻撃は、エステル結合の加水分解の原因です。
分岐鎖アミノ酸と脂肪族アミノ酸（バリンとイソロイシン）は、合成時に最も安定なアミノアシルtRNAを生成することが証明されており、加水分解安定性の低いアミノ酸（例えばプロリン）よりも半減期が著しく長い。バリンとイソロイシンの立体障害は、側鎖のβ炭素上のメチル基によって生じる。全体として、結合したアミノ酸の化学的性質がaa-tRNAの安定性を決定する要因となっている。[ 10 ]
ナトリウム、カリウム、マグネシウム塩によるイオン強度の増加は、aa-tRNAアシル結合を不安定化させることが示されている。pHの上昇も結合を不安定化させ、アミノ酸のα炭素アミノ基のイオン化状態を変化させる。荷電したアミノ基は、誘導効果によってaa-tRNA結合を不安定化させる可能性がある。 [ 11 ]伸長因子EF-Tuは、弱いアシル結合の加水分解を防ぐことで結合を安定化させることが示されている。[ 12 ]
総合すると、エステル結合の実際の安定性は、生理的pHおよびイオン濃度における体内でのaa-tRNAの加水分解に対する感受性に影響を与える。アミノアシル化プロセスによって安定なaa-tRNA分子が生成されることは熱力学的に有利であり、それによってポリペプチド合成の加速と生産性が向上する。[ 13 ]
薬剤ターゲティング
テトラサイクリンなどの特定の抗生物質は、原核生物においてアミノアシルtRNAがリボソームサブユニットに結合するのを阻害します。テトラサイクリンは、翻訳中に原核生物のリボソームのアクセプター（A）部位へのaa-tRNAの結合を阻害することが知られています。テトラサイクリンは広範囲抗菌薬と考えられており、グラム陽性菌とグラム陰性菌の両方、およびその他の非定型微生物の増殖を阻害する能力を示します。
さらに、TetMタンパク質（P21598）は、通常そのような作用を阻害するテトラサイクリンが濃縮されているにもかかわらず、アミノアシルtRNA分子がリボソームのアクセプター部位に結合することを可能にすることがわかっています。TetMタンパク質は、リボソームに依存するGTPase活性を示すリボソーム保護タンパク質とみなされています。研究により、TetMタンパク質が存在すると、テトラサイクリンがリボソームから放出されることが実証されています。したがって、テトラサイクリン分子によって妨げられなくなるため、aa-tRNAがリボソームのA部位に結合することが可能になります。[ 14 ] TetOはTetMと75%類似しており、両方ともEF-Gと約45%類似しています。大腸菌リボソームと複合体を形成したTetMの構造が解明されています。[ 15 ]
参考文献
- ↑ Peacock JR、Walvoord RR、Chang AY、Kozlowski MC、Gamper H、Hou YM (2014年6月)。「アミノアシルtRNAにおけるアシル結合のアミノ酸依存性安定性」。RNA。20 ( 6): 758–64。doi : 10.1261/ rna.044123.113。PMC 4024630。PMID 24751649。
- ↑ Kelly P、Ibba M (2018年1月)。「アミノアシルtRNA品質管理は、正しいものと間違ったものを区別するための迅速な解決策を提供する」。Journal of Molecular Biology。430 ( 1 ) : 17–19。doi : 10.1016 /j.jmb.2017.10.025。PMID 29111345。
- ↑ Francklyn CS、Mullen P (2019年4月) 「アミノアシルtRNA合成酵素に基づく治療法の進歩と課題」 . The Journal of Biological Chemistry . 294 (14): 5365–5385 . doi : 10.1074/jbc.REV118.002956 . PMC 6462538. PMID 30670594 .
- ↑ウルリッヒ EC、ファン デル ドンク WA (2016 年 12 月)。「天然物生合成におけるアミノアシルtRNAのカメオ出演」。ケミカルバイオロジーにおける現在の見解。35 : 29–36 .土井: 10.1016/j.cbpa.2016.08.018。PMC 5161580。PMID 27599269。
- ↑ Swanson R、Hoben P、Sumner-Smith M、Uemura H、Watson L、Söll D (1988 年 12 月)。「生体内アミノアシル化の正確性には、tRNA とアミノアシル tRNA 合成酵素の適切なバランスが必要である」。Science。242 ( 4885 ) : 1548–51。Bibcode : 1988Sci ...242.1548S。doi : 10.1126 / science.3144042。PMID 3144042。
- ↑ McClain WH (1993 年 11 月) 「タンパク質合成における tRNA の同一性を制御する規則」 Journal of Molecular Biology . 234 (2): 257–80 . doi : 10.1006/jmbi.1993.1582 . PMID 8230212 .
- ↑ Kelly P、Ibba M (2018年1月)。「アミノアシルtRNA品質管理は、正しいものと間違ったものを区別するための迅速な解決策を提供する」。Journal of Molecular Biology。430 ( 1 ) : 17–19。doi : 10.1016 /j.jmb.2017.10.025。PMID 29111345。
- ↑ Francklyn CS、Mullen P (2019年4月) 「アミノアシルtRNA合成酵素に基づく治療法の進歩と課題」 . The Journal of Biological Chemistry . 294 (14): 5365–5385 . doi : 10.1074/jbc.REV118.002956 . PMC 6462538. PMID 30670594 .
- ↑ヘンツェン D、マンデル P、ガレル JP (1972 年 10 月)。 「アミノアシルtRNAの安定性と固定アミノ酸の関係」。Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - 核酸とタンパク質合成。281 (2): 228–32 .土井: 10.1016/0005-2787(72)90174-8。PMID 4629424。
- ↑ Kelly P、Ibba M (2018年1月)。「アミノアシルtRNA品質管理は、正しいものと間違ったものを区別するための迅速な解決策を提供する」。Journal of Molecular Biology。430 ( 1 ) : 17–19。doi : 10.1016 /j.jmb.2017.10.025。PMID 29111345。
- ↑ Schuber F、Pinck M ( 1974年 5 月)。「アミノアシル tRNA エステル結合の化学反応性について。I. pH とアシル基の性質が加水分解速度に及ぼす影響」。Biochimie。56 ( 3 ) : 383–90。doi : 10.1016 / S0300-9084(74)80146- X。PMID 4853442。
- ↑ Peacock JR、Walvoord RR、Chang AY、Kozlowski MC、Gamper H、Hou YM (2014年6月)。「アミノアシルtRNAにおけるアシル結合のアミノ酸依存性安定性」。RNA。20 ( 6): 758–64。doi : 10.1261/ rna.044123.113。PMC 4024630。PMID 24751649。
- ↑ Peacock JR、Walvoord RR、Chang AY、Kozlowski MC、Gamper H、Hou YM (2014年6月)。「アミノアシルtRNAにおけるアシル結合のアミノ酸依存性安定性」。RNA。20 ( 6): 758–64。doi : 10.1261/ rna.044123.113。PMC 4024630。PMID 24751649。
- ↑ Chopra I、Roberts M (2001年6月)。「テトラサイクリン系抗生物質：作用機序、応用、分子生物学、および細菌耐性の疫学」。Microbiology and Molecular Biology Reviews。65 ( 2): 232–60、2ページ目、目次。doi : 10.1128 /MMBR.65.2.232-260.2001。PMC 99026。PMID 11381101。
- ↑ Arenz, S; Nguyen, F; Beckmann, R; Wilson, DN (2015年4月28日). "テトラサイクリン耐性タンパク質TetMと翻訳中のリボソームの複合体のクライオ電子顕微鏡構造（分解能3.9Å）" .米国科学アカデミー紀要. 112 (17): 5401–6 . Bibcode : 2015PNAS..112.5401A . doi : 10.1073/pnas.1501775112 . PMC 4418892. PMID 25870267 .
