翻訳（生物学）

生物学において、翻訳とは生きた細胞内でRNA分子をテンプレートとしてタンパク質が生成される過程のことです。生成されたタンパク質はアミノ酸の配列です。この配列は RNA 内のヌクレオチドの配列によって決まります。ヌクレオチドは一度に 3 つとみなされます。このような 3 つのヌクレオチドのそれぞれにより、生成されるタンパク質に特定のアミノ酸が 1 つ追加されます。ヌクレオチドの 3 つからアミノ酸への対応は遺伝コードと呼ばれます。翻訳は、リボソームと呼ばれる機能的な RNA とタンパク質の大きな複合体によって行われます。このプロセス全体を遺伝子発現と呼びます。

翻訳では、メッセンジャーRNA（mRNA）は核外のリボソームで解読され、特定のアミノ酸鎖、つまりポリペプチドを生成します。ポリペプチドは後に活性タンパク質に折り畳まれ、細胞内でその機能を果たします。ポリペプチドは、タンパク質合成中に折り畳みを開始することもあります^{[1] 。リボソームは、}相補的な転移RNA（tRNA）アンチコドン配列のmRNAコドンへの結合を誘導することで、解読を促進します。tRNAは特定のアミノ酸を運び、mRNAが通過してリボソームによって「読み取られる」と、ポリペプチドに連鎖します。

翻訳は次の 3 つのフェーズで進行します。

1. 開始: リボソームは標的 mRNA の周囲に組み立てられます。最初の tRNA は開始コドンに付加されます。
2. 伸長: 小さなリボソームサブユニットによって検証された最後の tRNA (適応) がアミノ酸を転移します。アミノ酸は大きなリボソームサブユニットに運ばれ、そこで先に受け入れられた tRNA の 1 つに結合します (ペプチド転移)。次に、リボソームは次の mRNA コドンに移動してプロセスを継続し (転座)、アミノ酸鎖を作成します。
3. 終結: 終止コドンに達すると、リボソームはポリペプチドを放出します。リボソーム複合体はそのまま残り、次の mRNA に翻訳されます。

原核生物（細菌および古細菌）では、翻訳は細胞質で行われ、そこでリボソームの大サブユニットと小サブユニットが mRNA に結合します。真核生物では、翻訳は細胞質内または小胞体の膜を越えて、共翻訳転座と呼ばれるプロセスによって行われます。共翻訳転座では、リボソーム/mRNA 複合体全体が粗面小胞体(ER)の外膜に結合し、新しいタンパク質が合成されて ER に放出されます。新しく作成されたポリペプチドは、将来の小胞輸送および細胞外への 分泌のために ER 内に保存することも、すぐに分泌することもできます。

tRNA、リボソームRNA、小さな核RNAなど、 転写されたRNAの多くの種類は、タンパク質に翻訳されません。

いくつかの抗生物質は翻訳を阻害することで作用します。これらには、アニソマイシン、シクロヘキシミド、クロラムフェニコール、テトラサイクリン、ストレプトマイシン、エリスロマイシン、ピューロマイシンが含まれます。原核生物のリボソームは真核生物のリボソームとは異なる構造を持っているため、抗生物質は真核生物の宿主細胞に害を与えることなく、細菌感染を特異的に標的とすることができます。

タンパク質生成の基本的なプロセスは、タンパク質の末端に一度に1つのアミノ酸を付加することです。この操作はリボソームによって実行されます。^[2]リボソームは、小サブユニットと大サブユニットの2つのサブユニットで構成されています。これらのサブユニットは、mRNAからタンパク質への翻訳前に一緒になり、翻訳を実行してポリペプチドを生成する場所を提供します。^[3]付加するアミノ酸の種類の選択は、メッセンジャーRNA（mRNA）分子によって決定されます。付加される各アミノ酸は、mRNAの3ヌクレオチドのサブシーケンスと一致します。可能な各トリプレットについて、対応するアミノ酸が受け入れられます。チェーンに追加される連続したアミノ酸は、mRNA内の連続したヌクレオチドトリプレットと一致します。このようにして、テンプレートmRNAチェーンのヌクレオチドの配列によって、生成されたアミノ酸チェーンのアミノ酸の配列が決まります。^[4] アミノ酸の付加はペプチドのC末端で起こります。したがって、翻訳はアミンからカルボキシルへの方向で行われると言われている。^[5]

mRNA は、リボヌクレオチド配列としてコード化された遺伝情報を染色体からリボソームに運びます。リボヌクレオチドは、コドンと呼ばれるヌクレオチドトリプレットの配列として翻訳機構によって「読み取られます」。これらのトリプレットはそれぞれ特定のアミノ酸をコード化します。^{[引用が必要]}

リボソーム分子は、このコードを特定のアミノ酸配列に変換します。リボソームは、リボソーム RNA (rRNA) とタンパク質を含むマルチサブユニット構造です。アミノ酸がタンパク質に組み立てられる「工場」です。

転移RNA（tRNA）は、アミノ酸をリボソームに輸送する小さな非コードRNA鎖（74〜93ヌクレオチド）です。tRNA遺伝子のレパートリーは種によって大きく異なり、一部の細菌は20〜30個の遺伝子を持ち、複雑な真核生物は数千個の遺伝子を持つこともあります。^{[6] tRNAには、アミノ酸を結合する部位とアンチコドンと呼ばれる部位があります。アンチコドンは、積荷}アミノ酸をコードするmRNAトリプレットと相補的なRNAトリプレットです。

アミノアシル tRNA 合成酵素(酵素) は、特定の tRNA とそのアンチコドン配列が要求するアミノ酸との結合を触媒します。この反応の生成物は、アミノアシル tRNAです。アミノ酸は、カルボキシル基によって tRNA の 3' OH にエステル結合で結合します。tRNA にアミノ酸が結合している場合、tRNA は「荷電」と呼ばれます。細菌では、このアミノアシル tRNA はEF-Tuによってリボソームに運ばれ、そこで mRNA コドンが特定の tRNA アンチコドンと相補的塩基対合によってマッチングされます。tRNA を間違ったアミノ酸と誤対合させるアミノアシル tRNA 合成酵素は、誤って荷電されたアミノアシル tRNA を生成する可能性があり、その結果、タンパク質のそれぞれの位置に不適切なアミノ酸が生じる可能性があります。この遺伝コードの「誤翻訳」^[7]は、ほとんどの生物において自然に低レベルで発生しますが、特定の細胞環境では許容的なmRNAのデコードが増加し、時には細胞に利益をもたらします。

リボソームには tRNA の結合部位が 2 つあります。アミノアシル部位 (略称 A) とペプチジル部位/出口部位 (略称 P/E) です。mRNA に関しては、リボソームが mRNA の 3' 末端に向かって移動するため、3 つの部位は 5' から 3' EPA の方向に向いています。A 部位は、入ってくるtRNAを mRNA 上の相補コドンと結合します。P /E 部位は、成長中のポリペプチド鎖とともに tRNA を保持します。アミノアシル tRNA が最初に mRNA 上の対応するコドンに結合するときは、A 部位にあります。次に、A 部位の tRNA のアミノ酸と P/E 部位の荷電 tRNA のアミノ酸の間にペプチド結合が形成されます。成長中のポリペプチド鎖は A 部位の tRNA に転送されます。転座が起こり、tRNA はアミノ酸のない P/E 部位に移動します。 A部位にあったtRNAはポリペプチド鎖で荷電され、P/E部位に移動され、荷電されていないtRNAは離れ、別のアミノアシルtRNAがA部位に入り、このプロセスが繰り返される。^[8]

新しいアミノ酸が鎖に追加され、tRNAがリボソームから細胞質に放出された後、トランスロカーゼEF-G（細菌）およびa/eEF-2（真核生物および古細菌）に結合したGTPの加水分解によって提供されるエネルギーにより、リボソームは 3 '末端に向かって1コドン下に移動します。タンパク質の翻訳に必要なエネルギーは膨大です。n個のアミノ酸を含むタンパク質の場合、翻訳に必要な高エネルギーリン酸結合の数は4 n -1です。^[9]翻訳速度は様々で、原核細胞（1秒あたり最大17〜21アミノ酸残基）の方が真核細胞（1秒あたり最大6〜9アミノ酸残基）よりも大幅に高速です。^[10]

開始には、開始因子(IF)の助けを借りて、リボソームの小サブユニットが mRNA の 5' 末端に結合することが含まれます。細菌および少数の古細菌では、タンパク質合成の開始には、シャイン・ダルガルノ配列と呼ばれる mRNA 上のプリンを多く含む開始配列の認識が含まれます。シャイン・ダルガルノ配列は、30S リボソームサブユニットの 16S rRNA 部分の 3' 末端にある相補的なピリミジンを多く含む配列に結合します。これらの相補配列の結合により、30S リボソームサブユニットが mRNA に結合し、開始コドンが P サイトの 30S 部分に配置されるように配置されます。mRNA と 30S サブユニットが適切に結合すると、開始因子がイニシエーター tRNA-アミノ酸複合体であるf-Met -tRNA を 30S P サイトに運びます。開始段階は、50Sサブユニットが30Sサブユニットに結合して活性70Sリボソームを形成すると完了する。^[11]リボソームのA部位がmRNA上の終止コドン（UAA、UAG、またはUGA）によって占有され、タンパク質の一次構造が形成されると、ポリペプチドの終結が起こる。tRNAは通常、終止コドンを認識したり結合したりすることができない。その代わりに、終止コドンは、リボソームのペプチジルトランスフェラーゼセンター^{[ 2]}からのポリペプチド鎖の加水分解によってリボソーム/mRNA複合体全体の分解を促す放出因子タンパク質[12]（RF1およびRF2）の結合を誘導する。^[13] mRNA上の薬物または特別な配列モチーフは、リボソーム構造を変化させ、ほぼ同族のtRNAが放出因子ではなく終止コドンに結合するようにすることができる。このような「翻訳リードスルー」の場合、リボソームが次の終止コドンに遭遇するまで翻訳が継続される。^[14]

リボソームは通常、正確で処理能力の高い機械であると考えられていますが、翻訳プロセスでは、tRNAが間違ったコドンに結合したり、間違ったアミノ酸に結合したりすることで、誤ったタンパク質の合成や翻訳の早期放棄につながるエラーが発生する可能性があります。 ^[15]タンパク質合成のエラー率は、実験条件に応じて、誤って取り込まれたアミノ酸の10 ^{5 分}の1から10 ^{3 分の1の間であると推定されています。 [16]}一方、翻訳の早期放棄率は、翻訳されたコドンあたり10 ⁻⁴イベントのオーダーであると推定されています。 ^{[17] [18]}

翻訳のプロセスは、真核生物と原核生物の両方で高度に制御されています。翻訳の制御は、細胞の代謝状態と増殖状態に密接に関係するタンパク質合成の全体的な速度に影響を与える可能性があります。

このプロセスを研究するために、科学者は構造生物学、分析化学（質量分析法に基づく）、レポーターmRNA翻訳のイメージング（mRNAの翻訳が発光や蛍光などの出力にリンクされている）、次世代シーケンシングに基づく方法など、さまざまな方法を使用してきました^{[19] 。}トープリンティングアッセイなどの他の方法を使用して、特定のmRNAのリボソームの位置や、翻訳を制御する他のタンパク質のフットプリントを決定することもできます。

特に、リボソームプロファイリングは強力な方法であり、^[20]研究者は特定の時間に翻訳されているすべてのタンパク質のスナップショットを撮ることができ、特定の時間にmRNAのどの部分がリボソームによってタンパク質に翻訳されているかを示します。この方法は、通常一度に1つの特定のmRNAを調べるレポーターを使用する代わりに、すべてのmRNAを調べるので便利です。リボソームプロファイリングは、遺伝子配列、mRNA構造、および翻訳制御の複雑な相互作用を明らかにし、翻訳ダイナミクスに関する貴重な洞察を提供します。たとえば、この方法を使用した研究では、遺伝的差異とそれに続くmRNAとしての発現も、RNA特異的な方法で翻訳速度に影響を与える可能性があることが明らかになっています。^[21]

この概念を拡張した最近の開発は、単一細胞リボソームプロファイリングです。これは、個々の細胞の解像度で翻訳プロセスを研究できる技術です。^[22]これは、同じ種類の細胞であってもタンパク質合成にかなりのばらつきがあるため、特に重要です。単一細胞リボソームプロファイリングは、細胞の異質性を明らかにする可能性があり、翻訳制御が細胞の行動、代謝状態、さまざまな刺激や条件への応答性にどのように影響するかについて、より微妙な理解につながります。

翻訳制御は、がんの発生と生存に極めて重要である。がん細胞は遺伝子発現の翻訳段階を頻繁に制御する必要があるが、転写などの段階よりも翻訳が標的とされる理由は完全には解明されていない。がん細胞は遺伝子改変された翻訳因子を有することが多いが、がん細胞が既存の翻訳因子のレベルを変更することの方がはるかに一般的である。^[23] RAS–MAPK、PI3K/AKT/mTOR、MYC、WNT–β-カテニン経路など、いくつかの主要な発がんシグナル伝達経路は、最終的に翻訳を介してゲノムを再プログラムする。^[24]がん細胞は、細胞ストレスに適応するために翻訳も制御する。ストレスがかかると、細胞はストレスを軽減して生存を促進するmRNAを翻訳する。その一例が、さまざまながんにおけるAMPKの発現である。AMPKの活性化はカスケードを引き起こし、最終的にがんは栄養不足によって引き起こされるアポトーシス（プログラム細胞死）を回避できる。将来のがん治療では、がんの下流の影響に対抗するために細胞の翻訳機構を破壊することになるかもしれない。^[23]

最も基本的な「初歩的な」プロセスのみを説明した転写翻訳プロセスの説明は、次のとおりです。

1. mRNA分子の生成（スプライシングを含む）、
2. これらの分子の開始は開始因子の助けを借りて行われる（例えば、開始には環化ステップが含まれることがあるが、必ずしも必要ではない）、
3. 翻訳の開始、小さなリボソームサブユニットのリクルート、
4. 完全なリボソームの組み立て、
5. 伸長（つまり、タンパク質の生成を伴うmRNAに沿ったリボソームの移動）、
6. 翻訳の終了、
7. mRNA分子の分解、
8. タンパク質の分解。

翻訳においてアミノ酸が構築されてタンパク質が作られるプロセスは、^[26]などの最初の詳細な速度論モデルや、翻訳の確率的側面を考慮し、コンピューターシミュレーションを使用するモデルに始まり、長い間、さまざまな物理モデルの主題でした。タンパク質合成の化学速度論に基づく多くのモデルは、過去40年間で開発され、分析されてきました。^{[27] [28]化学速度論を超えて、}完全非対称単純排除プロセス、^[28] 確率ブールネットワーク、ペトリネット、最大プラス代数などのさまざまなモデリング形式が、タンパク質合成またはその段階の詳細な速度論をモデル化するために適用されてきました。「有用なモデルはシンプルで拡張可能である」というパラダイムに従って、8つの「基本」プロセスすべてを考慮に入れたタンパク質合成の基本モデルが開発されました^{[25] 。 [29]}最も単純なモデルM0は、反応速度論メカニズムによって表されます（図M0）。これは、40S、60S、および開始因子（IF）の結合を含むように一般化されました（図M1'）。さらに、タンパク質合成に対するマイクロRNAの影響を含めるように拡張されました。 ^[30]この階層のモデルのほとんどは解析的に解くことができます。これらのソリューションは、合成制御のさまざまな特定のメカニズムの「運動学的シグネチャ」を抽出するために使用されました。

手作業（短い配列の場合）またはコンピューター（最初に適切にプログラミングした後、以下のセクションを参照）で翻訳することも可能です。これにより、生物学者や化学者は、コード化されたタンパク質の化学構造を紙に描くことができます。

まず、以下に示すように、各テンプレート DNA 塩基をその RNA 相補鎖に変換します (A の相補鎖は U になることに注意してください)。DNA のテンプレート鎖は、RNA が重合される鎖であることに注意してください。もう一方の DNA 鎖は RNA と同じですが、ウラシルの代わりにチミンが含まれます。

DNA -> RNA
 あ -> う
 T -> A
 C -> G
 G -> C
 A=T-> A=U

次に、RNA をトリプレット (3 つの塩基のグループ) に分割します。コードの読み取りを開始する場所に応じて、3 つの翻訳「ウィンドウ」または読み取りフレームがあることに注意してください。最後に、遺伝コードの表を使用して、上記を化学で使用される 構造式に変換します。

これにより、タンパク質の一次構造が得られます。ただし、タンパク質は、鎖に沿った親水性セグメントと疎水性セグメントに応じて、折りたたまれる傾向があります。二次構造は推測できる場合が多いですが、適切な三次構造を決定するのは非常に難しいことがよくあります。

タンパク質の三次構造と呼ばれる3D構造などの他の側面は、高度なアルゴリズムを使用してのみ予測できますが、一次構造と呼ばれるアミノ酸配列は、変換表の助けを借りて核酸配列からのみ決定できます。

このアプローチでは、特に、従来の終止コドンと下流のヘアピン (セレノシステイン挿入配列、または SECIS) の組み合わせによってコード化されるセレノシステインなどの非従来型アミノ酸がタンパク質に組み込まれている場合、タンパク質の正しいアミノ酸組成が得られない可能性があります。

DNA/RNA 配列をタンパク質配列に変換できるコンピュータ プログラムは多数あります。通常、これは標準遺伝コードを使用して実行されますが、生物学的に重要な代替開始コドンの使用など、すべての「特別な」ケースを処理できるプログラムはほとんどありません。たとえば、まれな代替開始コドン CTG は、開始コドンとして使用された場合はメチオニンをコードし、他のすべての位置ではロイシンをコードします。

例：標準遺伝暗号の要約翻訳表（NCBIタクソノミーウェブページより）^[31]

AA = FFLLSSSSYY**CC*WLLLLPPPPHHQQRRRRIIIMTTTTNNKKSSRRVVVVAAAADDEEGGGG
 開始 = ---M---------------M----------------------------M----------------------------
 ベース1 = TTTTTTTTTTTTTTTTCCCCCCCCCCCCCCCCAAAAAAAAAAAAAGGGGGGGGGGGGGGGG
 基数2 = TTTTCCCCAAAAGGGGTTTTCCCCAAAAGGGGTTTTCCCCAAAAGGGGTTTTCCCCAAAAGGGG
 基数3 = TCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAGTCAG

「開始」行は、3 つの開始コドン、UUG、CUG、および非常に一般的な AUG を示します。また、開始として解釈される場合の最初のアミノ酸残基も示します。この場合、すべてメチオニンです。

酵母ゲノムのような通常の真核生物の配列を扱う場合でも、ミトコンドリア遺伝子の翻訳など、代替翻訳テーブルを使用できることが望まれることがよくあります。現在、 NCBIタクソノミーグループによって、 GenBankの配列の翻訳用に以下の翻訳テーブルが定義されています。^[31]

ウィキメディア・コモンズには、翻訳 (生物学)に関連するメディアがあります。

• 仮想セルアニメーションコレクション: 翻訳の紹介
• 翻訳ツール（DNAまたはRNA配列から）