細菌の翻訳

細菌翻訳とは、細菌内でメッセンジャーRNAがタンパク質に翻訳される過程のことである。

細菌における翻訳の開始には、翻訳システムの構成要素の組み立てが伴います。これらの構成要素は、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）が結合したtRNA、エネルギー源としてのグアノシン三リン酸（GTP）、および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です。メカニズムのバリエーションが予想されます。^{[ 1 ]}

リボソームには、A部位、P部位、E部位の3つの活性部位があります。A部位はアミノアシルtRNAの進入点です（ただし、最初のアミノアシルtRNAはP部位から進入します）。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与えた後、電荷を失ったtRNAの出口です。 ^{[ 1 ]}

ポリペプチド鎖の伸長は、成長中の鎖のカルボキシル末端へのアミノ酸の付加を伴う。成長中のタンパク質は、大きな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出る。 ^{[ 10 ]}

fMet-tRNAがP部位に入ると伸長が始まり、立体構造の変化が起こり、新しいアミノアシルtRNAが結合するためのA部位が開きます。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立体構造の変化（立体構造校正）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開始部分が含まれ、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に結合している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部位には新たに形成されたペプチドがあり、P部位には非荷電tRNA（アミノ酸を持たないtRNA）があります。A部位tRNAに新たに形成されたペプチドはジペプチドとして知られており、全体の集合体はジペプチジル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ると知られています。トランスロケーションと呼ばれる伸長の最終段階では、脱アシル化tRNA（P部位）とジペプチジルtRNA（A部位）は、それぞれ対応するコドンとともにE部位とP部位に移動し、新しいコドンがA部位に移動します。このプロセスは伸長因子G（EF-G）によって触媒されます。E部位の脱アシル化tRNAは、EF-Tuによって再び促進されるアミノアシルtRNAが次にA部位を占有する際にリボソームから放出されます。^{[ 13 ]}

リボソームは、より多くのアミノアシルtRNAがA部位に結合するにつれて、mRNA上の残りのコドンを翻訳し続け、最終的にmRNA上の終止コドン（UAA、UGA、またはUAG）に到達します。

翻訳機構は、DNA複製を触媒する酵素系に比べて比較的ゆっくりと機能する。細菌におけるタンパク質の合成速度は1秒あたりわずか18アミノ酸残基であるのに対し、細菌のレプリソームは1秒あたり1000ヌクレオチドの速度でDNAを合成する。この速度の差は、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では、速度が異なることを部分的に反映している。

誤ったアミノアシルtRNA分子を検査して排除するには時間がかかり、タンパク質合成が遅くなる。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、翻訳と転写が連動する。真核生物では、転写と翻訳は細胞内の別々の区画（核と細胞質）で行われるため、これは不可能である。

翻訳終結は、3つの終結コドンのいずれかが A部位に移動したときに起こります。これらのコドンはtRNAでは認識されません。代わりに、放出因子と呼ばれるタンパク質、すなわちRF1（UAAおよびUAG終結コドンを認識）またはRF2（UAAおよびUGA終結コドンを認識）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と、新たに合成されたタンパク質のリボソームからの放出を引き起こします。3番目の放出因子RF-3は、終結プロセスの最後にRF-1とRF-2の放出を触媒します。

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部位に非荷電tRNA、および完全な70Sリボソームから構成される。リボソームリサイクルステップは、終結後リボソーム複合体の解体に関与する。^{[ 14 ]}終結時に新生タンパク質が放出されると、リボソームリサイクル因子と伸長因子G（EF-G）が機能して、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。次にIF3が脱アシル化tRNAを置き換え、mRNAを放出する。これで、すべての翻訳コンポーネント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もリサイクルを行うことがある。^{[ 15 ]}

翻訳は複数のリボソームによって同時に行われる。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ない。1つのmRNAと複数のリボソームの複合体はポリソームまたはポリリボソームと呼ばれる。^{[ 16 ]}

細菌細胞が栄養分を使い果たすと、定常期に入り、タンパク質合成が下方制御されます。この移行を媒介するプロセスはいくつかあります。^{[ 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と結合すると、90S二量体を形成します。^{[ 18 ] [ 19 ]}これらの中間リボソーム二量体は、その後、休眠促進因子（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ます。この粒子では、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休眠状態を表し、翻訳活性がありません。^{[ 21 ]}大腸菌細胞が定常期に入るとリボソームに結合できる3番目のタンパク質は、YfiA（以前はRaiAとして知られていた）です。^{[ 22 ]} HPFとYfiAは構造的に類似しており、両方のタンパク質はリボソームの触媒A部位とP部位に結合できます。^{[ 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への結合をブロックします。^{[ 25 ]}リボソームに結合すると、大腸菌YfiAのC末端テールがRMFの結合を妨害し、二量体化を阻害して、翻訳活性のない単量体70Sリボソームの形成につながります。^{[ 25 ] [ 26 ]}

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と呼ばれていた）によって阻害されることがある。^{[ 27 ]} RsfSは、大きな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、それによって小さな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、翻訳を遅くするか完全に阻害する。RsfSタンパク質はほとんどすべての真正細菌（ただし古細菌ではない）に存在し、相同体はミトコンドリアと葉緑体に存在する（それぞれMALSU1とiojapと呼ばれている）。しかし、RsfSの発現や活性がどのように制御されているかはまだわかっていない。

大腸菌の別のリボソーム解離因子は、これまで機能が不明であったGTPaseであるHflXである。Zhangら（2015）は、HflXが熱ショック誘導性のリボソーム分裂因子であり、空の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放出因子と非常によく似た方法でペプチジル転移酵素中心に結合し、中央のサブユニット間ブリッジに劇的な構造変化を誘導し、サブユニットの解離を促進する。したがって、HflXの欠損は、熱ショック時およびおそらく他のストレス条件下で停止リボソームの増加をもたらす。^{[ 28 ]}

いくつかの抗生物質は、細菌の翻訳過程を標的とすることで作用を発揮する。これらの抗生物質は、細菌と真核生物の翻訳機構の違いを利用して、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する。

• 細菌性開始因子
• 伸長係数
• 細菌、古細菌、植物の葉緑体コード