真核生物翻訳終結因子1

eRF1は、Y字型のアミノ酸ポリペプチド鎖から構成されています。このタンパク質は、ステムと2つのブランチという3つの主要ドメインから構成されています。各ドメインはそれぞれ特定の目的と独特の折り畳みパターンを持ち、タンパク質が適切に機能することを可能にしています。各ドメインはそれぞれ異なりますが、いずれもα-βサンドイッチクラスの基本構造を含んでおり、これは基本的にαヘリックスに囲まれたβシートコアです。ドメイン1（Nドメインと呼ばれることもあります）は、2つのαヘリックス（α2とα3）に囲まれた4本のストランドを持つβシートコアから構成されています。α2とα3のサブユニットはコイル状に巻かれて結合し、NIKSモチーフ^{[ 8 ]} 、 YxxCxxxFモチーフ、およびGTSループ^{[ 9 ]}を含むヘアピン構造を形成します。これらの部位は、終止コドン認識における主要な付加物であると仮説が立てられています。さらに、N末端はドメイン1に位置し、タンパク質の安定性を維持するためにドメイン3と相互作用します。ドメイン3は、Cドメインとも呼ばれ、ポリペプチドのC末端を含んでいます。さらに、Mドメインとも呼ばれるドメイン3の構造と機能は、光学的な制約により研究が妨げられているため、最もよくわかっていません。ドメイン2はα-βサンドイッチで構成されており、サンドイッチの外側のストランドの1つには二次構造がありません。一次アミノ酸セクションによりGGQ部位が形成されます。^{[ 8 ]}

eRF1の折り畳まれた構造は、基本的にtRNA分子の構造を模倣しています。これにより、eRF1機構がリボソームのアミノアシル部位に適合することが保証されます。eRF1は、tRNA分子によって実行される重要なプロセスの1つであるコドンを認識する能力も持っています。^{[ 10 ]} tRNAとeRF1の両方がmRNAとペプチジル転移酵素中心に結合する能力を持っているため、両者は類似した寸法を持ち、eRF1の幅は71Åで、フェニルアラニンtRNAの70Åに相当します。^{[ 8 ] [ 11 ]}両方の分子はGTPaseと相互作用します。tRNAはeEF-1α（原核生物ではEF-Tu）と、eRF1はeRF3と相互作用します。^{[ 8 ]}

生理生物学における構造と機能の関連性というモチーフは、eRF1とtRNA分子の間にも非常に多く見られます。eRF1のGGQ部位は、tRNAに結合したアミノアシル基に相当します。どちらの構造も、リボソーム内のペプチジルトランスフェラーゼ部位の認識と結合に寄与します。どちらの構造も、高度に特殊化された部位を分子の残りの部分から離れた方向に配向し、孤立した相互作用を保証します。さらに、eRF1のドメイン2は、tRNAのアミノアシルステムと構造的に類似しています。^{[ 11 ]} tRNAのTステムとeRF1のドメイン3はどちらも、GTPaseタンパク質と相互作用する役割を果たします。

GGQモチーフは、生命のすべてのドメインの放出因子に保存されているアミノ酸配列です。GGQ部位は、2つのグリシンアミノ酸とそれに続くグルタミンから構成されています。eRF1では、GGQ部位はドメイン2に位置するポリペプチドの183～185番目の残基にあります。GGQ部位の遠位方向は、ロイシン176、プロリン177、フェニルアラニン190、ロイシン193などの隣接するアミノ酸残基の疎水性効果によって安定化されています。GGCモチーフのgln185残基は、リボソームのペプチジルトランスフェラーゼにおけるペプチジルtRNAエステル結合の加水分解の主要な触媒部位であると考えられています。GGQ部位は、終止コドン認識、リボソームドッキング、またはeRF3結合の機能とは関連していません。^{[ 12 ] [ 8 ]}

NIKSモチーフは、ドメイン1のN末端（アミノ酸残基61～64）に位置する高度に保存されたアミノ酸配列です。NIKSモチーフは、アスパラギン（N）、イソロイシン（I）、リジン（K）、セリン（S）のアミノ酸から構成されています。^{[ 13 ]} NIKSモチーフの主な機能は、終止コドンの最初のヌクレオチド（常にウラシル）を認識することです。さらに、この領域の変異は、リボソーム結合と触媒活性の低下と関連付けられています。^{[ 14 ]}

YxxCxxxFモチーフとGTSループは、eRF1のドメイン1に位置する2つのアミノ酸部位です。YxxCxxxFモチーフはアミノ酸残基121～131に存在し、GTSループはアミノ酸残基31～33に存在します。YxxCxxxFは、チロシン（ Y）、システイン（C）、フェニルアラニン（F）の3つの不変アミノ酸残基から構成されています。これらの部位は、折り畳まれたeRF1タンパク質では構造的に分離されていますが、その主な機能は非常に似ています。これらは、終止コドンの2番目と3番目の位置におけるプリン認識に関与しています。^{[ 15 ]}

eRF3とGTPがeRF1に結合して複合体を形成することは、翻訳の終結に不可欠である。eRF1とeRF3の両方のCドメイン間の相互作用が、複合体をまとめる主要な力である。^{[ 17 ]}しかし、後にMドメインも複合体の安定性に寄与することが発見された。CドメインにあるGGQモチーフの近くにeRF3を配置することで、ペプチジルtRNAを加水分解するeRF1の触媒効果が大きくなる。^{[ 18 ]}

生命の各ドメイン（真正細菌、古細菌、真核生物）は、翻訳終結に関連する異なる放出因子を持っています。真正細菌は終止コドンを認識するために複数の放出因子を持っていますが、真核生物（eRF1）と古細菌（aRF1）は3つの終止コドンすべてを認識するタンパク質を1つしか持っていません。真正細菌の放出因子と古細菌/真核生物の放出因子の構造的および機能的な違いは、初期の分岐点から別々に進化してきたと考えられています。eRF1とaRF1の機能的類似性から、両方のタンパク質が進化してきた共通祖先に関する理論が提唱されています。^{[ 19 ]}しかし、古細菌の放出因子についてはほとんど研究されていません。^{[ 20 ]}

原核生物では、放出因子は 2 つのクラスに分類されます。クラス 1 放出因子は終止コドンを認識し、クラス 2 放出因子は GTPase 活性による加水分解を促進します。しかし、原核生物にはすべての終止コドンを認識する単一のタンパク質はありません。終止コドン UAG は放出因子 1 (RF1) によって解読され、UGA は放出因子 2によって解読されます。最後の終止コドン UAA は RF1 と RF2 の両方によって解読されます。^{[ 21 ]}真核生物では、eRF1 が 3 つの終止コドンすべてを認識します。^{[ 22 ]}

原核生物のコドン認識と古生物/真核生物のコドン認識には明確な違いがあるものの、触媒部位の機能はすべてのドメインで保存されている。各ドメインには、ペプチド加水分解を促進する重要なGGQ部位がある。^{[ 23 ]}

NIKS部位は、終止コドンの最初のヌクレオチドであるウラシルとの結合を担っています。これは、NIKSのAsn61およびLys63残基がウラシルのカルボニル基と水素結合を形成することによって達成されます。Asn61残基とウラシル上の別のカルボニル基との間に二次水素結合が形成されます。さらに、Lys63残基がmRNAの骨格と相互作用し、eRF1の安定性と適切な配置に寄与するという仮説が立てられています。このメカニズムがウラシルに特異的であるということは、他のヌクレオチド（グアニン、アデノシン、チミン、シトシン）では、eRF1のドッキングを安定化させる広範な水素結合を持たない構造が形成されることを意味します。^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]}

2番目と3番目の位置のヌクレオチドは、YxxCxxxF および GTS サイトによって認識されます。このプロセスは、eRF1 がアミノ酸をコードするウラシル開始センス コドンからストップ コドンを識別する能力を与えるため、非常に重要です。^{[ 28 ]}例えば、システイン アミノ酸はコドン UGU によってコードされます。ストップ コドンとセンス コドンを識別する最初のステップは、プリンとピリミジンを区別することです。すべてのストップ コドンは +2 および +3 の位置にプリン ヌクレオチドを持っています。高度に保存された 2 つのアミノ酸残基 Glu55 と Tyr125 (YxxCxxxF モチーフに位置) が連携して、アデノシン/グアニン ヌクレオチドの N6 窒素原子と水素結合します。この相互作用により、+2 および +3 の位置にピリミジンが存在する可能性が排除されます。^{[ 29 ] [ 30 ]}

UGGはトリプトファンのセンスコドンであるため、+2位と+3位のプリンのさらなる識別が必要である。UGGの場合、Glu55残基は2つのグアニンヌクレオチドからの強い負電荷から反発される。広範な水素結合は起こらなかったため、このコドンは終止コドンとして認識されない。^{[ 30 ]}

eRF1 の非常に重要な残基は YxxCxxxF モチーフの Cys127 であり、これは mRNA 上のワトソンおよびクリックのエッジと 2 つの水素結合を形成します。水素結合により、eRF1-ストップコドン複合体は複数の方向でさらに安定し、ストップコドンの +2 および +3 位置のスタッキング/水素結合が可能になります。2 番目と 3 番目の位置のスタッキングの強度と数により、eRF1 はストップコドンとセンスコドンを区別することができます。^{[ 30 ]}

GTS部位は、アデニンまたはグアニンの相互作用に応じて2つの立体構造をとることができる。終止コドンUAGの場合、GTS部位のThr32は+3位のグアニンと水素結合する。終止コドンの2番目の位置にグアニンがある場合（UGA）、YxxCxxxFモチーフがコドン上に積み重なり、GTS部位がコドンから遠ざかるようになる。^{[ 30 ] [ 29 ]}

遺伝性疾患の約11%は、早期終止コドン（ナンセンス変異）によって引き起こされます。広範な研究が行われているナンセンス変異の注目すべき例としては、嚢胞性線維症を引き起こすCFTR遺伝子変異や、デュシェンヌ型筋ジストロフィーを引き起こすジストロフィン遺伝子変異が挙げられます。最近の治療研究は、早期終止コドンの読み飛ばしを強制することに焦点を当てています。これにより、以前に変異したmRNA鎖が、正しく折り畳まれたタンパク質をコードできるようになる可能性があります。読み飛ばしを強制する一般的な方法は、eRF1とeRF3の活性を制限することです。1つのメカニズムは、細胞内のeRF1とeRF3の濃度を制限することで、理論的には終止コドンの認識を減少させるというものです。^{[ 31 ]}しかし、このメカニズムは治療薬には使用されていません。代わりに、最も有望なメカニズムは、eRF1を化学的に分解して読み飛ばしを達成することです。これらの化学物質は、読み飛ばし促進剤と呼ばれる薬剤の分野に属します。リードスループロモーターのメカニズムは様々ですが、共通のメカニズムはeRF1がリボソームから放出されるのを防ぐことです。これによりリボソームが停止し、最終的に別のリボソームと衝突します。^{[ 32 ]}

eRF1が終止コドンを認識してリボソームに結合すると、eRF1は終結の最終段階であるペプチド結合の加水分解の準備が整います。ポリペプチドをリボソームのp部位から放出するには、eRF1を助けるための追加のタンパク質、エネルギー源、およびイオンが必要であり、これは四元複合体を形成することによって達成されます。追加のタンパク質はGTPaseであるeRF3であり、エネルギー源はGTP分子であり、イオンはMg2 ⁺です。eRF3がeRF1に結合すると、単独のeRF3タンパク質の親和性と比較して、GTPに対する親和性が大幅に増加します。終止コドンの認識にはGTPは必要ありませんが、ペプチジルtRNAの加水分解と終結複合体の放出にはGTPが必要であることに注意が必要です。^{[ 33 ]}

終結複合体におけるeRF3の機能については多くの仮説が立てられてきた。初期の仮説では、eRF3は原核細胞において荷電tRNA分子をリボソームのアミノアシル部位に運ぶGTPaseであるEF-TUと構造的に類似しているため、eRF3がeRF1の終止コドンへの結合を助けると考えられていた。^{[ 34 ] [ 35 ]}他の仮説は、eRF3によって媒介されるGTP加水分解がeRF1に及ぼす影響に焦点を当てている。終結複合体の加水分解前のGTP構成は、eRF1の終止コドンへの結合とeRF1のペプチドtRNAへの配向を促進する。加水分解後のGDP構成は、複合体の放出とリボソームの解離を促進する。^{[ 36 ]}

追加の研究では、eRF3によるGTPの加水分解によりeRF1の触媒部位がリボソームのp部位に入り込み、新生ポリペプチドの放出が促進されるという仮説が立てられている。^{[ 33 ]}

ペプチジルtRNAの加水分解を担う触媒部位は、eRF1上のGGQ部位である。GGQ部位に関する現在の理解では、eRF3によるGTPの加水分解によって引き起こされる立体構造変化の後、ペプチジルtRNAが存在するリボソームのP部位に入るとされている。さらに、GGQ部位に何らかの変異が生じるとeRF1は機能しなくなり、細胞は翻訳を正常に終了させることができなくなる。これは、GGQ中の2つのグリシン残基が、2つのグリシンでのみ可能なねじれ角をとるためである。適切な角度がなければ、反応の活性部位は正常に機能しない。新生タンパク質が放出されるためには、GGQ部位は反応の活性部位に水分子をリクルートする必要がある。1つの水分子をリクルートする方法はまだ完全には解明されていない。所定の位置に到達すると、水分子は求核剤として働き、新生タンパク質とtRNAの間のエステル結合のカルボニル基を攻撃します。エステル結合の加水分解により、新生タンパク質が放出され、リボソームと終結複合体が分解されます。^{[ 37 ]}

NMDはmRNA監視の唯一の経路ではありません。No-Go Decay（NGD）経路は、機能的な終止コドンを持たないmRNA鎖を分解するために使用されます。このメカニズムは、それぞれeRF1とeRF3に非常によく似た2つのタンパク質、Dom34pとHbs1pを使用します。Dom34pとHbs1pタンパク質は、停止したリボソームを認識してエンドヌクレアーゼ切断をトリガーします。^{[ 45 ]} Non -Stop Decay（NSD）は、機能的な終止コドンを持たないmRNA鎖を処理するもう1つの経路です。このメカニズムにはeRF1は含まれませんが、eRF3相同タンパク質であるSki7pが含まれます。このメカニズムは、合成されたポリAテイルに依存しており、これによりリボソームが停止します。停止したリボソームは、Ski7pによって認識されて分解されます。^{[ 46 ] [ 47 ]}