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タンパク質生合成、またはタンパク質合成は、細胞内で起こる基本的な生物学的プロセスであり、細胞タンパク質の損失（分解または排出による）を新しいタンパク質の生成によって補います。タンパク質は、酵素、構造タンパク質、ホルモンとして多くの重要な機能を果たします。タンパク質合成は、原核生物と真核生物の両方で非常によく似たプロセスですが、いくつかの明確な違いがあります。[ 1 ]
タンパク質合成は大きく分けて転写と翻訳の2つの段階に分けられます。転写では、タンパク質をコードするDNAの断片（遺伝子と呼ばれる）がメッセンジャーRNA （mRNA）と呼ばれる分子に変換されます。この変換は、細胞核内のRNAポリメラーゼと呼ばれる酵素によって行われます。[ 2 ]真核生物では、このmRNAは最初に未成熟な形態（pre-mRNA）で生成され、転写後修飾を受けて成熟mRNAになります。成熟mRNAは核孔を通って細胞核から細胞質に輸送され、そこで翻訳が行われます。翻訳中、mRNAはリボソームによって読み取られ、リボソームはmRNAのヌクレオチド配列を使用してアミノ酸配列を決定します。リボソームは、コードされたアミノ酸間に共有結合ペプチド結合の形成を触媒し、ポリペプチド鎖を形成します。[ 3 ]
翻訳後、ポリペプチド鎖は折り畳まれて機能的なタンパク質を形成する必要があります。例えば、酵素として機能するためには、ポリペプチド鎖は正しく折り畳まれて機能的な活性部位を形成する必要があります。機能的な三次元形状をとるためには、ポリペプチド鎖はまず二次構造と呼ばれる一連のより小さな基礎構造を形成する必要があります。これらの二次構造内のポリペプチド鎖は折り畳まれて、全体的な三次元三次構造を形成します。正しく折り畳まれた後、タンパク質はさまざまな翻訳後修飾によってさらに成熟し、タンパク質の機能、細胞内（例えば細胞質や核）における位置、および他のタンパク質との相互作用能力を変化させることができます。[ 4 ]
タンパク質生合成は疾患において重要な役割を果たしており、この過程における変化やエラーは、DNA変異やタンパク質ミスフォールディングなどを通じて、しばしば疾患の根本原因となる。DNA変異は、その後のmRNA配列を変化させ、それによってmRNAがコードするアミノ酸配列が変化する。変異は、翻訳の早期終結を引き起こすストップ配列を生成することで、ポリペプチド鎖を短くする可能性がある。あるいは、mRNA配列の変異は、ポリペプチド鎖のその位置にコードされる特定のアミノ酸を変化させる。このアミノ酸の変化は、タンパク質の機能や正しい折り畳み能力に影響を与える可能性がある。[ 5 ]ミスフォールディングしたタンパク質は、高密度のタンパク質凝集体を形成する傾向があり、これはしばしば疾患、特にアルツハイマー病やパーキンソン病などの神経疾患に関与している。[ 6 ]
転写は核内でDNAを鋳型としてmRNAを生成する過程で起こる。真核生物では、このmRNA分子は核内で転写後修飾を受けて成熟mRNA分子となるため、pre-mRNAと呼ばれる。しかし、原核生物では転写後修飾は必要ないため、成熟mRNA分子は転写によって直ちに生成される。[ 1 ]
まず、ヘリカーゼと呼ばれる酵素がDNA分子に作用します。DNAは、2本の相補的なポリヌクレオチド鎖からなる逆平行二重らせん構造を持ち、塩基対間の水素結合によって結合されています。ヘリカーゼは水素結合を破壊し、遺伝子に対応するDNA領域をほどき、 2本のDNA鎖を分離して一連の塩基を露出させます。DNAは二本鎖分子ですが、一方の鎖だけがpre-mRNA合成の鋳型として機能します。この鎖は鋳型鎖と呼ばれます。もう一方のDNA鎖（鋳型鎖と相補的）はコード鎖と呼ばれます。[ 7 ]
DNAとRNAはどちらも固有の方向性を持っており、分子には2つの異なる末端があります。この方向性は、非対称なヌクレオチドサブユニットに起因しており、ペントース糖の一方の側にリン酸基があり、もう一方の側に塩基があります。ペントース糖の5つの炭素は1'（'はプライムを意味します）から5'まで番号が付けられています。したがって、ヌクレオチドを連結するホスホジエステル結合は、あるヌクレオチドの3'炭素上のヒドロキシル基と別のヌクレオチドの5'炭素上のリン酸基が結合することによって形成されます。したがって、DNAのコード鎖は5'から3'の方向に走り、相補的な鋳型DNA鎖は3'から5'の逆方向に走ります。[ 1 ]
RNAポリメラーゼ酵素は露出した鋳型鎖に結合し、遺伝子から3'から5'の方向に読み取ります。同時に、RNAポリメラーゼは、鋳型鎖と相補的な塩基対を形成できる活性化ヌクレオチド（核内で遊離）間のホスホジエステル結合の形成を触媒することにより、5'から3'の方向に一本鎖のpre-mRNAを合成します。移動するRNAポリメラーゼの後ろで2本のDNA鎖が再結合するため、一度に露出するのは12塩基対のDNAのみです。[ 7 ] RNAポリメラーゼは1秒あたり20ヌクレオチドの速度でpre-mRNA分子を構築し、1時間で同じ遺伝子から数千のpre-mRNA分子を生成することができます。合成速度が速いにもかかわらず、RNAポリメラーゼ酵素は独自の校正機構を備えています。校正機構により、RNAポリメラーゼは切除反応によって、成長中のpre-mRNA分子から誤ったヌクレオチド（DNAの鋳型鎖と相補的でないもの）を除去することができる。[ 1 ] RNAポリメラーゼが転写を終結させる特定のDNA配列に到達すると、RNAポリメラーゼは解離し、pre-mRNA合成が完了する。[ 7 ]
合成されたpre-mRNA分子は鋳型DNA鎖と相補的であり、コードDNA鎖と同じヌクレオチド配列を共有しています。しかし、DNAとmRNA分子のヌクレオチド構成には重要な違いが1つあります。DNAはグアニン、シトシン、アデニン、チミン（G、C、A、T）の塩基で構成されています。RNAもグアニン、シトシン、アデニン、ウラシルの4つの塩基で構成されています。RNA分子では、DNA塩基のチミンがアデニンと塩基対を形成できるウラシルに置き換えられています。したがって、pre-mRNA分子では、コードDNA鎖でチミンとなるすべての相補的塩基がウラシルに置き換えられています。[ 8 ]
転写が完了すると、pre-mRNA分子は転写後修飾を受けて成熟mRNA分子を生成する。[ 9 ]
転写後修飾には3つの重要なステップがあります。[ 10 ]
5'キャップは、pre-mRNA分子の5'末端に付加され、メチル化によって修飾されたグアニンヌクレオチドから構成されます。5'キャップの目的は、翻訳前に成熟mRNA分子が分解されるのを防ぐことであり、また、リボソームがmRNAに結合して翻訳を開始するのを助け[ 11 ]、細胞内でmRNAを他のRNAと区別できるようにします[ 1 ] 。一方、3'ポリ(A)テールはmRNA分子の3'末端に付加され、100～200個のアデニン塩基から構成されます[ 11 ] 。これらの異なるmRNA修飾により、5'キャップと3'テールの両方が存在する場合、細胞は完全なmRNAメッセージが無傷であることを検出できます[ 1 ] 。
この修飾されたpre-mRNA分子は、次にRNAスプライシングの過程を経る。遺伝子は一連のイントロンとエクソンから構成されており、イントロンはタンパク質をコードしないヌクレオチド配列であり、エクソンはタンパク質を直接コードするヌクレオチド配列である。イントロンとエクソンは、基となるDNA配列とpre-mRNA分子の両方に存在するため、タンパク質をコードする成熟mRNA分子を生成するには、スプライシングが行われる必要がある。[ 7 ]スプライシング中、介在するイントロンは、スプライソソーム（150以上のタンパク質とRNAから構成される）として知られる多タンパク質複合体によってpre-mRNA分子から除去される。[ 12 ]この成熟mRNA分子は、核膜の核孔を通って細胞質に輸送される。
翻訳中、リボソームはmRNAテンプレート分子からポリペプチド鎖を合成します。真核生物では、翻訳は細胞の細胞質で行われ、リボソームは細胞質内で自由に浮遊しているか、粗面小胞体に付着しています。核を持たない原核生物では、転写と翻訳の両方のプロセスが細胞質で行われます。[ 13 ]
リボソームは、タンパク質とリボソームRNAの混合物からなる複雑な分子機械であり、mRNA分子を取り囲む2つのサブユニット（大サブユニットと小サブユニット）に分かれています。リボソームはmRNA分子を5'-3'方向に読み取り、それを鋳型としてポリペプチド鎖のアミノ酸の順序を決定します。[ 14 ] mRNA分子を翻訳するために、リボソームはトランスファーRNA（tRNA）と呼ばれる小さな分子を使用して、正しいアミノ酸をリボソームに運びます。各tRNAは70～80個のヌクレオチドから構成され、分子内のヌクレオチド間に水素結合が形成されるため、特徴的なクローバーリーフ構造をとります。tRNAには約60種類あり、各tRNAはmRNA分子内の3つのヌクレオチドの特定の配列（コドンと呼ばれるトリプレット）に結合し、特定のアミノ酸を運びます。[ 15 ]
リボソームは最初に開始コドン（AUG）でmRNAに結合し、分子の翻訳を開始します。mRNAのヌクレオチド配列はコドン（mRNA分子内の隣接する3つのヌクレオチドが1つのコドンに対応）で読み取られます。各tRNAは、アンチコドンと呼ばれる3つのヌクレオチドからなる露出した配列を持ち、これはmRNAに存在する可能性のある特定のコドンと相補的な配列です。たとえば、最初に遭遇するコドンは、ヌクレオチドAUGからなる開始コドンです。アンチコドン（相補的な3つのヌクレオチド配列UAC）を持つ正しいtRNAがリボソームを使用してmRNAに結合します。このtRNAは、mRNAコドンに対応する正しいアミノ酸を運びます。開始コドンの場合は、アミノ酸メチオニンです。次に、開始コドンに隣接する次のコドンに、相補的なアンチコドンを持つ正しいtRNAが結合し、次のアミノ酸をリボソームに運びます。リボソームは、ペプチジル転移酵素活性を利用して、隣接する2つのアミノ酸間に共有結合であるペプチド結合の形成を触媒する。[ 7 ]
リボソームは次にmRNA分子に沿って3番目のコドンまで移動します。リボソームは最初のtRNA分子を放出します。これは、1つのリボソームが一度に2つのtRNA分子しか結合できないためです。3番目のコドンに相補的な正しいアンチコドンを持つ次の相補的なtRNAが選択され、次のアミノ酸がリボソームに運ばれ、成長中のポリペプチド鎖に共有結合します。このプロセスは、リボソームがmRNA分子に沿って移動し、1秒あたり最大15個のアミノ酸をポリペプチド鎖に追加しながら続きます。最初のリボソームの後ろには、最大50個の追加のリボソームがmRNA分子に結合してポリソームを形成することができ、これにより複数の同一のポリペプチド鎖の同時合成が可能になります。[ 7 ]成長中のポリペプチド鎖の終結は、リボソームがmRNA分子内の終止コドン（UAA、UAG、またはUGA）に遭遇したときに起こります。この場合、どのtRNAもそれを認識できず、放出因子がリボソームから完全なポリペプチド鎖の放出を誘導します。[ 15 ]
ポリペプチド鎖の合成が完了すると、ポリペプチド鎖は折り畳まれ、タンパク質がその機能を果たすことができる特定の構造をとります。タンパク質構造の基本形は一次構造と呼ばれ、これは単純にポリペプチド鎖、すなわち共有結合したアミノ酸の配列です。タンパク質の一次構造は遺伝子によってコードされています。したがって、遺伝子の配列に何らかの変化が生じると、タンパク質の一次構造とその後のすべてのレベルの構造が変化し、最終的には全体の構造と機能が変化する可能性があります。
タンパク質の一次構造（ポリペプチド鎖）は、折り畳まれたりコイル状になったりして、タンパク質の二次構造を形成します。最も一般的な二次構造は、αヘリックスまたはβシートとして知られており、これらはポリペプチド鎖内で形成される水素結合によって生成される小さな構造です。この二次構造が折り畳まれて、タンパク質の三次構造が生成されます。三次構造は、異なる二次構造が折り畳まれて一緒に作られる、タンパク質の全体的な3D構造です。三次構造では、活性部位などの重要なタンパク質の特徴が折り畳まれて形成され、タンパク質が機能できるようになります。最後に、一部のタンパク質は複雑な四次構造をとる場合があります。ほとんどのタンパク質は単一のポリペプチド鎖で構成されていますが、一部のタンパク質は、折り畳まれて相互作用して四次構造を形成する複数のポリペプチド鎖（サブユニットとして知られています）で構成されています。したがって、全体的なタンパク質は、折り畳まれた複数のポリペプチド鎖サブユニットで構成されるマルチサブユニット複合体です（例：ヘモグロビン）。[ 16 ]
タンパク質が成熟した機能的な3D状態に折り畳まれると、リボソームから放出されますが、これは必ずしもタンパク質成熟経路の終わりではありません。折り畳まれたタンパク質は、翻訳後修飾（PTM）によってさらに処理される可能性があります。2023年現在、650種類以上のPTMが知られています。[ 17 ]これらの修飾は、タンパク質の活性、他のタンパク質との相互作用能力、細胞内のタンパク質の存在場所（細胞核や細胞質など）を変化させる可能性があります。[ 18 ]翻訳後修飾によって、ゲノムによってコードされるタンパク質の多様性は2～3桁拡大します。[ 19 ]
翻訳後修飾には4つの主要なクラスがあります。[ 4 ]
タンパク質の切断は、プロテアーゼと呼ばれる酵素によって行われる不可逆的な翻訳後修飾です。これらのプロテアーゼは多くの場合非常に特異的で、標的タンパク質内の限られた数のペプチド結合を加水分解します。結果として生じる短縮されたタンパク質は、鎖の開始と末端に異なるアミノ酸を持つ変化したポリペプチド鎖を持ちます。この翻訳後修飾はしばしばタンパク質の機能を変化させ、切断によってタンパク質が不活性化または活性化され、新しい生物学的活性を示すことがあります。[ 20 ]
翻訳後、成熟したタンパク質構造内のアミノ酸に小さな化学基が付加されることがある。[ 21 ]標的タンパク質に化学基を付加するプロセスの例としては、メチル化、アセチル化、リン酸化などがある。[ 22 ]
メチル化とは、メチルトランスフェラーゼ酵素によって触媒される、アミノ酸へのメチル基の可逆的な付加である。メチル化は、20種類の一般的なアミノ酸のうち少なくとも9種類で起こるが、主にリジンとアルギニンで起こる。一般的にメチル化されるタンパク質の1つはヒストンである。ヒストンは細胞の核に存在するタンパク質である。DNAはヒストンにしっかりと巻き付いており、他のタンパク質や、DNAの負電荷とヒストンの正電荷との相互作用によって所定の位置に保持されている。ヒストンタンパク質上のアミノ酸メチル化の非常に特異的なパターンは、DNAのどの領域がしっかりと巻き付いていて転写できないか、どの領域が緩く巻き付いていて転写できるかを決定するために使用される。[ 23 ]
ヒストンによるDNA転写の調節もアセチル化によって修飾される。アセチル化とは、アセチルトランスフェラーゼという酵素によってリジンアミノ酸にアセチル基が可逆的に共有結合的に付加される反応である。アセチル基はアセチル補酵素Aと呼ばれる供与分子から除去され、標的タンパク質に転移される。[ 24 ]ヒストンは、ヒストンアセチルトランスフェラーゼと呼ばれる酵素によってリジン残基がアセチル化される。アセチル化の効果は、ヒストンとDNA間の電荷相互作用を弱め、それによってDNA中のより多くの遺伝子が転写可能になることである。[ 25 ]
最後にして最も一般的な翻訳後化学修飾はリン酸化です。リン酸化とは、タンパク質内の特定のアミノ酸（セリン、トレオニン、チロシン）にリン酸基が可逆的に共有結合的に付加される反応です。リン酸基は、タンパク質キナーゼによって供与分子ATPから除去され、標的アミノ酸の水酸基に転移されます。この過程で、副産物としてアデノシン二リン酸が生成されます。このプロセスは、タンパク質ホスファターゼという酵素によってリン酸基が除去されることで逆転します。リン酸化によって、リン酸化されたタンパク質上に結合部位が形成され、他のタンパク質と相互作用して大きな多タンパク質複合体を形成できるようになります。あるいは、リン酸化によって、タンパク質が基質に結合する能力が変化することで、タンパク質の活性レベルが変化することもあります。[ 1 ]
翻訳後修飾により、より複雑で大きな分子が折り畳まれたタンパク質構造に組み込まれることがあります。その一般的な例の1つがグリコシル化、つまり多糖分子の付加であり、これは最も一般的な翻訳後修飾であると広く考えられています。[ 19 ]
グリコシル化では、多糖分子（グリカンとして知られる）がグリコシルトランスフェラーゼ酵素によって標的タンパク質に共有結合的に付加され、小胞体およびゴルジ体でグリコシダーゼによって修飾される。グリコシル化は、標的タンパク質の最終的な折り畳まれた3D構造を決定する上で重要な役割を果たすことがある。場合によっては、グリコシル化は正しい折り畳みに必要である。N結合型グリコシル化は、溶解度を高めることでタンパク質の折り畳みを促進し、タンパク質シャペロンへのタンパク質の結合を媒介する。シャペロンは、他のタンパク質の折り畳みと構造維持を担うタンパク質である。[ 1 ]
糖鎖付加には大きく分けてN結合型糖鎖付加とO結合型糖鎖付加の2種類がある。N結合型糖鎖付加は小胞体で前駆体糖鎖の付加から始まる。前駆体糖鎖はゴルジ体で修飾され、アスパラギンアミノ酸の窒素に共有結合した複合糖鎖が生成される。一方、O結合型糖鎖付加は、成熟タンパク質構造内のセリンおよびトレオニンアミノ酸の酸素に個々の糖鎖が順次共有結合で付加される過程である。 [ 1 ]
細胞内で生成された多くのタンパク質は、細胞外タンパク質として機能するために細胞外に分泌されます。細胞外タンパク質は、さまざまな環境条件にさらされます。タンパク質の3次元構造を安定化するために、タンパク質内部または四次構造内の異なるポリペプチド鎖間に共有結合が形成されます。最も一般的なタイプは、ジスルフィド結合（ジスルフィド架橋とも呼ばれる）です。ジスルフィド結合は、硫黄原子を含む側鎖化学基（チオール官能基と呼ばれる）を用いて、2つのシステインアミノ酸間に形成されます。ジスルフィド結合は、タンパク質の既存の構造を安定化する働きをします。ジスルフィド結合は、2つのチオール基間の酸化反応によって形成されるため、反応には酸化環境が必要です。その結果、ジスルフィド結合は通常、タンパク質ジスルフィドイソメラーゼと呼ばれる酵素によって触媒される小胞体の酸化環境で形成されます。細胞質は還元環境であるため、ジスルフィド結合が形成されることはまれです。[ 1 ]
多くの疾患は、DNAヌクレオチド配列とコードされるタンパク質のアミノ酸配列との直接的な関連により、遺伝子の変異によって引き起こされます。タンパク質の一次構造の変化は、タンパク質のミスフォールディングや機能不全を引き起こす可能性があります。単一遺伝子内の変異は、鎌状赤血球症など、単一遺伝子疾患として知られる複数の疾患の原因として特定されています。[ 26 ]
鎌状赤血球症は、酸素を運搬する役割を担う赤血球中のタンパク質であるヘモグロビンのサブユニットの突然変異によって引き起こされる疾患群です。鎌状赤血球症の中で最も危険なのは、鎌状赤血球貧血として知られています。鎌状赤血球貧血は最も一般的なホモ接合劣性単一遺伝子疾患であり、罹患した個人は、罹患遺伝子の両方のコピー（両親からそれぞれ1つずつ受け継いだもの）に突然変異を持っている必要があります。ヘモグロビンは複雑な四次構造を持ち、2つのAサブユニットと2つのBサブユニットの4つのポリペプチドサブユニットで構成されています。[ 27 ]鎌状赤血球貧血の患者は、ヘモグロビンBサブユニットポリペプチド鎖をコードする遺伝子にミスセンス変異または置換変異を持っています。ミスセンス変異とは、ヌクレオチド変異によってコドントリプレット全体が変化し、新しいコドンと異なるアミノ酸が対になることを意味します。鎌状赤血球貧血の場合、最も一般的なミスセンス変異は、ヘモグロビンBサブユニット遺伝子のチミンからアデニンへの単一ヌクレオチド変異です。[ 28 ]これにより、コドン6はアミノ酸グルタミン酸をコードするものからバリンをコードするものへと変化する。[ 27 ]
ヘモグロビンBサブユニットポリペプチド鎖の一次構造の変化は、低酸素状態におけるヘモグロビン多サブユニット複合体の機能を変化させます。赤血球が酸素を体組織に放出すると、変異したヘモグロビンタンパク質が凝集し始め、赤血球内に半固体の構造を形成します。これにより赤血球の形状が歪み、特徴的な「鎌状」の形状になり、細胞の柔軟性が低下します。この硬く歪んだ赤血球は血管内に蓄積し、閉塞を引き起こす可能性があります。閉塞は組織への血流を妨げ、組織壊死につながり、個人に大きな痛みをもたらします。[ 29 ]
がんは、遺伝子変異と不適切なタンパク質翻訳の結果として発生します。がん細胞は異常に増殖するだけでなく、抗アポトーシス遺伝子またはプロアポトーシス遺伝子またはタンパク質の発現を抑制します。ほとんどのがん細胞では、細胞内でオン/オフのシグナル伝達因子として機能するシグナル伝達タンパク質Rasに突然変異が見られます。がん細胞では、RASタンパク質が持続的に活性化され、制御がないため細胞の増殖が促進されます。[ 30 ]さらに、ほとんどのがん細胞は、損傷した遺伝子のゲートキーパーとして機能し、悪性細胞でアポトーシスを開始する調節遺伝子p53の2つの変異コピーを持っています。これがないと、細胞はアポトーシスを開始したり、他の細胞に破壊するようにシグナルを送ったりすることができません。[ 31 ]
腫瘍細胞が増殖すると、1つの領域にとどまって良性と呼ばれる場合と、悪性細胞となって体の他の領域に移動する場合がある。多くの場合、これらの悪性細胞は組織の細胞外マトリックスを分解するプロテアーゼを分泌する。これにより、癌は転移と呼ばれる最終段階に入り、細胞は血流またはリンパ系に入り、体の新しい部分へ移動する。[ 30 ]
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