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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。
開始
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関与する。その構成要素とは、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）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）、および開始複合体の組み立てを助ける3つの原核生物開始因子IF1、IF2、およびIF3である。そのメカニズムにはバリエーションがあることが予想される。[1]
リボソームには、A サイト、P サイト、E サイトの 3 つの活性部位があります。Aサイトは、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 サイトから入ります)。Pサイトは、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 サイトは、成長中のペプチド鎖にアミノ酸を与えた後、荷電されていない tRNAの出口です。 [1]
標準的な開始: シャイン・ダルガーノシーケンス
大腸菌の mRNA の大部分は、シャイン・ダルガルノ (SD) 配列で始まっている。SD 配列は、30S サブユニットの 16S rRNA 成分上の相補的な「抗 SD」領域によって認識される。標準モデルでは、30S リボソームはまず 3 つの開始因子と結合し、不安定な「開始前複合体」を形成する。次に、mRNA はこの抗 SD 領域と対になって二本鎖 RNA 構造を形成し、開始コドンを P 部位に大まかに配置する。開始 tRNA fMet が到着し、IF2 の助けを借りて配置され、翻訳が開始される。[1]
標準モデルにも多くの不確実性があります。開始部位は厳密にはAUGに限定されないことが示されています。AUG開始コドンを持たないよく知られたコード領域は、大腸菌lacオペロンのlacI（GUG）[2]とlacA（UUG）です。[3] 2つの研究は独立して、17以上のAUG以外の開始コドンが大腸菌で翻訳を開始する可能性があることを示しました。[4] [5]それでも、AUGは少なくともすべての可能性の中で最も強い開始コドンであると思われます。[1]
SD配列も厳密には必要ではないようで、広範囲のmRNAはこれを欠いていても翻訳されてしまうが、細菌門（バクテロイデス門）全体ではこのような配列は使用されていない。また、単にSDにAUGが続くだけでは翻訳を開始するのに十分ではない。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ている。[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 つの半分に分かれるのではなく、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、同じ mRNA 分子上の隣接する遺伝子間の距離が短いために標準的な結合モードが混乱する可能性がある、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。[7]
リーダーレスイニシエーション
多くの細菌のmRNAには5'UTRがまったくないか、非常に短い。完全な70Sリボソームは、IF2（fMet-tRNAをリクルート）の助けを借りて[8] 、そのような「リーダーレス」mRNAの翻訳を簡単に開始できる。[1]
リーダーレス開始の効率は多くの要因によって変化します。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思われます。[1] AUG は大腸菌では非常に好まれますが、他の種では必ずしもそうではありません。IF3 はリーダーレス開始を阻害します。[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します。[9]
伸長
ポリペプチド鎖の伸長には、伸長鎖のカルボキシル末端へのアミノ酸の付加が含まれる。伸長中のタンパク質は、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出る。 [10]
fMet-tRNAがP部位に入ると伸長が始まり、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部位にはコード化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（アミノ酸のない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して知られ、アセンブリ全体はジペプチジルtRNAと呼ばれます。アミノ酸を除いたP部位のtRNAは脱アシル化されていることがわかります。転座と呼ばれる伸長の最終段階では、脱アシル化されたtRNA（P部位）とジペプチジルtRNA（A部位）が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）によって触媒されます。Eサイトの脱アシル化されたtRNAは、再びEF-Tuによって促進されたアミノアシルtRNAによる次のAサイトの占有中にリボソームから解放されます。[13]
リボソームは、より多くのアミノアシル tRNA が A 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システムに比べると、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 アミノ酸残基の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 ヌクレオチドの速度で 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することと、タンパク質を作るために 20 種類のアミノ酸を重合することの違いを部分的に反映しています。誤ったアミノアシル tRNA 分子をテスト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ります。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、転写と翻訳が細胞の別の区画 (核と細胞質) で実行されるため、これは不可能です。
終了
終結は、3 つの終結コドンの 1 つが A サイトに移動したときに起こります。これらのコドンは、どの tRNA にも認識されません。代わりに、解放因子と呼ばれるタンパク質、つまり 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、新しく合成されたタンパク質のリボソームからの解放を引き起こします。3 番目の解放因子 RF-3 は、終結プロセスの最後に RF-1 と RF-2 の解放を触媒します。
リサイクル
終結ステップの終わりまで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 部位の電荷を持たない tRNA、および完全な 70S リボソームで構成されます。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分解を担います。[14]終結で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します。次に、IF3 が脱アシル化された tRNA を置き換えて mRNA を放出します。これで、すべての翻訳コンポーネントが追加の翻訳ラウンドに自由に使用できるようになります。
tRNAによってはIF1～IF3もリサイクル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の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
細菌細胞は栄養素を使い果たすと定常期に入り、タンパク質合成を下方制御します。この遷移はいくつかのプロセスによって媒介されます。[17]たとえば、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）分子に結合して成熟した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作られます。[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ったときに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、メッセンジャーと16S rRNAの相互作用を防ぐことで、リボソームのmRNAへの結合を阻害する。[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の結合を妨げ、二量体化を防ぎ、翻訳的に不活性な単量体70Sリボソームの形成をもたらす。[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と呼ばれていました）によって阻害されます。[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ブロックします。RsfSタンパク質は、ほぼすべての真正細菌（古細菌を除く）に存在し、ホモログはミトコンドリアと葉緑体（それぞれC7orf30とiojapと呼ばれます）に存在します。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。
大腸菌のもう一つのリボソーム解離因子はHflXで、以前は機能が不明だったGTPaseでした。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、空のリボソームとmRNA関連リボソームを解離できることを示しました。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トランスフェラーゼセンターに結合し、中央のサブユニット間ブリッジの劇的な構造変化を誘導し、サブユニット解離を促進します。したがって、HflXの損失は、熱ショックやその他のストレス条件下で停止したリボソームの増加につながります。[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にして作用を発揮します。抗生物質は、原核生物と真核生物の翻訳メカニズムの違いを利用して、宿主に影響を与えることなく細菌のタンパク質合成を選択的に阻害します。
参照
参考文献
- ^ abcdefgh Gualerzi, CO; Pon, CL (2015年11月). 「細菌におけるmRNA翻訳の開始：構造的および動的側面」.細胞および分子生命科学. 72 (22): 4341–67. doi :10.1007/s00018-015-2010-3. PMC 4611024. PMID 26259514 .
- ^ Farabaugh PJ (1978年8月). 「lacI遺伝子の配列」. Nature . 274 (5673): 765–9. Bibcode :1978Natur.274..765F. doi :10.1038/274765a0. PMID 355891. S2CID 4208767.
- ^ 「lacI、lacZ、lacY、lacA遺伝子を含むE.coliラクトースオペロン」。ヌクレオチドデータベース。国立医学図書館。1993年5月5日。 2017年3月1日閲覧。
- ^ Hecht A、Glasgow J、Jaschke PR、Bawazer LA、Munson MS、Cochran JR、Endy D、Salit M (2017 年 4 月)。「E. coli の全 64 コドンからの翻訳開始の測定」。核酸研究。45 ( 7): 3615–3626。doi :10.1093/ nar /gkx070。PMC 5397182。PMID 28334756。
- ^ Firnberg E、Labonte JW、Gray JJ、 Ostermeier M (2016 年 5 月)。「遺伝子の適応度地形の包括的かつ高解像度のマップ」。分子生物学と進化。33 (5): 1581–1592。doi : 10.1093 /molbev/msu081。PMC 4839222。PMID 26912810。
- ^ 山本 博; ダニエラ・ヴィテック; ロミ・グプタ; 秦 博; 上田 拓也; ローランド・クラウス; 山本 香織; レナーテ・アルブレヒト; マルクス・ペック; クヌート・H・ニアハウス (2016年2月). 「70Sスキャン開始は細菌におけるリボソーム翻訳の新規かつ頻繁な開始モードである」。米国科学アカデミー紀要。113 (9): E1180–E1189。Bibcode : 2016PNAS..113E1180Y。doi : 10.1073 / pnas.1524554113。PMC 4780633。PMID 26888283。
- ^ Yonatan Chemla; Michael Peeri; Mathias Luidor Heltberg; Jerry Eichler; Mogens Høgh Jensen; Tamir Tuller; Lital Alfonta (2020年9月). 「合成オペロンを用いて明らかにされた細菌翻訳におけるmRNA二次構造の可能な普遍的役割」. Nature Communications . 11 (1): 4827. Bibcode :2020NatCo..11.4827C. doi : 10.1038/s41467-020-18577-4 . PMC 7518266. PMID 32973167 .
- ^ 宇田川剛志、清水義弘、上田卓也 (2004 年 3 月)。「真正細菌において、リーダーレス mRNA の翻訳は、サブユニットへの解離なしに、完全な 70 S リボソームによって開始される」。Journal of Biological Chemistry。279 ( 10): 8539–8546。doi : 10.1074/ jbc.M308784200。PMID 14670970。
- ^ Leiva, LE; Katz, A (2022年3月28日). 「細菌におけるリーダーレスmRNA翻訳の制御」.微生物. 10 (4): 723. doi : 10.3390 /microorganisms10040723 . PMC 9031893. PMID 35456773.
- ^翻訳リボソームに結合した 大腸菌タンパク質伝導チャネルの構造、K. Mitra 他Nature (2005)、vol 438、p 318
- ^ Savir Y, Tlusty T (2013年4月). 「最適なデコーダーとしてのリボソーム：分子認識の教訓」. Cell . 153 (2): 471–9. Bibcode :2013APS..MARY46006T. doi : 10.1016/j.cell.2013.03.032 . PMID 23582332.
- ^ Tirumalai MR、Rivas M、 Tran Q、Fox GE（2021年11月）。「ペプチジルトランスフェラーゼセンター：過去への窓」。Microbiol Mol Biol Rev . 85 （ 4）：e0010421。Bibcode ：2021MMBR ... 85 ...21T。doi ：10.1128/MMBR.00104-21。PMC 8579967。PMID 34756086。
- ^ Dinos G、Kalpaxis DL、Wilson DN 、 Nierhaus KH (2005)。「脱アシル化tRNAは、A部位の占有時にE部位から放出されるが、EF-TuによってGTPが加水分解される前に放出される」。 核酸研究。33 ( 16): 5291–6。doi :10.1093 / nar/gki833。PMC 1216338。PMID 16166657。
- ^ 広川 G、デメシュキナ N、岩倉 N、加地 H、加地 A (2006 年 3 月)。 「リボソームのリサイクル段階：合意か論争か?」生化学科学の動向。31 (3): 143-9。土井：10.1016/j.tibs.2006.01.007。PMID 16487710。
- ^ Pavlov, MY; Antoun, A; Lovmar, M; Ehrenberg, M (2008 年 6 月 18 日). 「70S リボソーム分割における開始因子 1 とリボソームリサイクル因子の相補的役割」. The EMBO Journal . 27 (12): 1706–17. doi :10.1038/emboj.2008.99. PMC 2435134. PMID 18497739 .
- ^ アルバーツ・B、他。 （2017年）。細胞の分子生物学(第 6 版)。ガーランドサイエンス。 301–303ページ。
- ^ Puri P、Eckhardt TH、Franken LE、Fusetti F、Stuart MC、Boekema EJ、Kuipers OP、Kok J、Poolman B (2014 年 1 月)。 「Lactococcus lactis YfiA はリボソーム二量体化に必要かつ十分です。」分子微生物学。91 (2): 394–407。土井：10.1111/mmi.12468。PMID 24279750。
- ^ 山岸 正之、松島 秀、和田 章、坂上 正之、藤田 直樹、石浜 章 (1993 年 2 月)。「大腸菌リボソーム調節因子をコードする rmf 遺伝子の調節: 成長段階および成長速度依存的制御」。EMBO ジャーナル。12 ( 2 ) : 625–30。doi :10.1002/j.1460-2075.1993.tb05695.x。PMC 413246。PMID 8440252。
- ^ 井筒 健、和田 千恵、小峰 勇、佐古 孝、上口 千恵、名倉 聡、和田 明 (2001 年 5 月)。「定常期にコピー数が増加する大腸菌リボソーム関連タンパク質 SRA」。Journal of Bacteriology . 183 (9): 2765–73. doi :10.1128/JB.183.9.2765-2773.2001. PMC 99491 . PMID 11292794。
- ^ Kato T, Yoshida H, Miyata T, Maki Y, Wada A, Namba K (2010年6月). 「電子クライオ顕微鏡法で明らかにされた冬眠段階の100Sリボソームの構造」. Structure . 18 (6): 719–24. doi : 10.1016/j.str.2010.02.017 . PMID 20541509.
- ^ Wada A, Igarashi K, Yoshimura S, Aimoto S, Ishihama A (1995年9月). 「リボソーム調節因子：大腸菌由来のリボソーム機能の定常成長期特異的阻害剤」.生化学および生物物理学的研究通信. 214 (2): 410–7. doi :10.1006/bbrc.1995.2302. PMID 7677746.
- ^ Agafonov DE、Kolb VA、Nazimov IV、Spirin AS (1999 年 10 月)。「細菌リボソームのサブユニット界面に存在するタンパク質」。米国 科学アカデミー紀要。96 ( 22): 12345–9。Bibcode :1999PNAS ... 9612345A。doi : 10.1073/ pnas.96.22.12345。PMC 22919。PMID 10535924。
- ^ Vila-Sanjurjo A、 Schuwirth BS、Hau CW 、 Cate JH (2004 年 11 月)。「ストレス時の翻訳開始の制御の構造的基礎」。Nature Structural & Molecular Biology。11 ( 11) : 1054–9。doi :10.1038/nsmb850。PMID 15502846。S2CID 35493538 。
- ^ Ortiz JO、Brandt F、Matias VR、Sennels L、Rappsilber J、Scheres SH、Eibauer M、Hartl FU、Baumeister W (2010 年 8 月)。「in vitro および in situ でのクライオ電子トモグラフィーによる冬眠リボソームの構造の調査」。The Journal of Cell Biology。190 ( 4): 613–21。doi : 10.1083 /jcb.201005007。PMC 2928015。PMID 20733057。
- ^ ab Polikanov YS、Blaha GM、Steitz TA (2012 年 5 月)。「冬眠因子 RMF、HPF、および YfiA がタンパク質合成をオフにする方法」。Science。336 ( 6083 ) : 915–8。Bibcode : 2012Sci ... 336..915P。doi : 10.1126/science.1218538。PMC 3377384。PMID 22605777。
- ^ Ueta M, Yoshida H, Wada C, Baba T, Mori H, Wada A (2005 年 12 月). 「リボソーム結合タンパク質 YhbH と YfiA は、大腸菌の定常期における 100S 形成中に反対の機能を果たす」. Genes to Cells . 10 (12): 1103–12. doi :10.1111/j.1365-2443.2005.00903.x. PMID 16324148. S2CID 25255882.
- ^ ab Häuser R, Pech M, Kijek J, Yamamoto H, Titz B, Naeve F, Tovchigrechko A, Yamamoto K, Szaflarski W, Takeuchi N, Stellberger T, Diefenbacher ME, Nierhaus KH, Uetz P (2012). 「RsfA (YbeB) タンパク質は保存されたリボソームサイレンシング因子である」. PLOS Genetics . 8 (7): e1002815. doi : 10.1371/journal.pgen.1002815 . PMC 3400551. PMID 22829778 .
- ^ Zhang Y、Mandava CS、Cao W、Li X、Zhang D、Li N、Zhang Y、Zhang X、Qin Y、Mi K、Lei J、Sanyal S、Gao N (2015 年 11 月)。「HflX は、ストレス条件下で停止したリボソームを救済するリボソーム分割因子です」。Nature Structural & Molecular Biology 22 ( 11): 906–13。doi :10.1038/nsmb.3103。PMID 26458047。S2CID 9228012 。