リボソームの生合成

リボソーム生合成は、リボソームを作る過程である。原核生物では、この過程は細胞質で多くのリボソーム遺伝子オペロンの転写を伴って起こる。真核生物では、細胞質と核小体の両方で起こる。この過程には、3つの原核生物rRNAまたは4つの真核生物rRNAの合成と処理、およびそれらのrRNAとリボソームタンパク質との組み立てにおいて、200を超えるタンパク質の協調機能が関与している。リボソームタンパク質のほとんどは、ATP依存性RNAヘリカーゼ、AAA-ATPase、GTPase、キナーゼなど、さまざまなエネルギー消費酵素ファミリーに分類される。^[1]細胞のエネルギーの約60%は、リボソームの生産と維持に費やされる。^[2]

リボソームの生合成は非常に厳密に制御されたプロセスであり、成長や分裂などの他の細胞活動と密接に関連しています。^{[3] [4]}

生命の起源において、リボソームの生合成は細胞よりも古く、遺伝子と細胞はリボソームの生殖能力を高めるために進化したと推測する人もいます。^[5]

リボソームは、 mRNAをタンパク質に 翻訳する役割を担う高分子機械です。真核生物のリボソームは80Sリボソームとも呼ばれ、2つのサブユニットで構成されています。大きな60Sサブユニット（植物では25S、哺乳類では28S、5.8S、5S rRNAと46のリボソームタンパク質を含む）と小さな40Sサブユニット（18S rRNAと33のリボソームタンパク質を含む）です。^[6]リボソームタンパク質はリボソーム遺伝子によってコード化されています。

リボソームタンパク質をコードする遺伝子は 52 個あり、原核生物 DNA 内の 20 個のオペロンに存在します。リボソーム合成の調節は、 rRNA自体の調節によって決まります。

まず、アミノアシルtRNAの減少により、原核細胞は転写と翻訳を低下させることで反応します。これは、リボソームに結合して反応を触媒する厳格な因子から始まる一連のステップを経て起こります：
GTP + ATP --> pppGpp + AMP

次に、γ-リン酸が除去され、ppGpp が RNA ポリメラーゼに結合して阻害します。この結合により、rRNA 転写が減少します。rRNA の量が減少すると、リボソーム タンパク質 (r タンパク質) は翻訳されますが、結合する rRNA がなくなります。代わりに、r タンパク質は負のフィードバックを起こし、自身のmRNA に結合して、r タンパク質の合成を抑制します。r タンパク質は、存在する場合、mRNA ではなく、相補的な rRNA に優先的に結合することに注意してください。

リボソームオペロンには、RNA ポリメラーゼと伸長因子(RNA 翻訳に使用) の遺伝子も含まれます。これらすべての遺伝子を同時に制御することで、原核生物における転写と翻訳の連携が明らかになります。

真核生物におけるリボソームタンパク質合成は、主要な代謝活動です。ほとんどのタンパク質合成と同様に、これは核のすぐ外側の細胞質で起こります。個々のリボソームタンパク質は合成され、核孔を通して核に取り込まれます。リボソームタンパク質の核への移動の詳細については、 核輸入を参照してください。

DNA は核小体で高速に転写され、核小体にはすべての 45S rRNA 遺伝子が含まれています。唯一の例外は、核小体の外で転写される 5S rRNA です。転写後、rRNA はリボソームタンパク質と結合し、2 種類のリボソームサブユニット (大と小) を形成します。これらは後に細胞質で組み立てられ、機能するリボソームを形成します。リボソームサブユニットの核外への移動の詳細については、核外輸送を参照してください。 ^[11]

真核細胞は、一連のステップを経て、成熟した rRNA 種のうち 3 つを共転写する。rRNA の成熟プロセスと r タンパク質のリクルートメントのプロセスは、前駆体リボソーム粒子 (プレリボソームとも呼ばれる) で起こり、核小体、核質、細胞質で起こる。酵母であるS. cerevisiae は、リボソーム生合成の研究のための真核生物モデル生物である。リボソーム生合成は核小体で始まる。そこで、35S プレ RNA は、RNA ポリメラーゼ Iによってリボソーム遺伝子からポリシストロニック転写産物として転写され、rRNA の 18S、5.8S、および 25S サブユニットに処理される。^{[1] [3]}

ポリメラーゼ I の転写は、 rDNAプロモーターに結合する Pol I 開始複合体から始まる。この複合体の形成には、TATA ボックス結合タンパク質およびコア因子 (CF) と関連する上流活性化因子または UAF の助けが必要である。2 つの転写因子が一緒になって、RNA pol I 複合体がポリメラーゼ I 開始因子 Rrn3 と結合することを可能にする。pol I 転写産物が生成されると、約 75 個の小さな核小体リボ核粒子 (snoRNP) が、100 個を超える rRNA 残基の共転写共有結合修飾を促進する。これらの snoRNP は、ヌクレオチドの 2'-O-リボース メチル化を制御し、擬似ウリジンの生成も支援する。^[1] rRNA 転写産物の 5' 末端では、小サブユニットリボソームタンパク質 (Rps) と非リボソーム因子が pre-RNA 転写産物と集合してボール状のノブを形成する。これらのノブは、小さな（40S）リボソームサブユニット経路における最初のプレリボソーム粒子です。^[1] rRNA転写物はA2部位で切断され、これにより初期の40Sプレリボソームが残りのプレrRNAから分離され、大サブユニットリボソームタンパク質（Rpl）およびその他の非リボソーム因子と結合してプレ60Sリボソーム粒子が作成されます。^[1]

40Sサブユニット前駆体の転写アセンブリは、小サブユニットプロセソーム（SSU）または90S粒子とも呼ばれ、階層的に行われます。基本的には、UTP-A、UTP-B、およびUTP-Cサブ複合体が段階的に組み込まれます。これらのサブ複合体は、30を超える非リボソームタンパク質因子、U3 snoRNP粒子、いくつかのRpsタンパク質、および35S pre-rRNAで構成されています。ただし、それらの正確な役割は明らかにされていません。^[3] U3 snoRNPA依存部位（部位A0、A1、およびA2）で切断が行われると、pre-40S粒子の構成は劇的に変化します。この切断イベントにより、20S pre-rRNAが生成され、リボソーム因子がpre-40S粒子から解離します。U3は、ヘリカーゼDhr1によって新生40Sから置き換えられます。^[12]リボソーム生合成過程のこの時点で、40Sプレリボソームは成熟した40Sサブユニットの「頭部」と「胴体部」の構造をすでに示している。40Sプレリボソームは核小体から細胞質に輸送される。細胞質の40Sプレリボソームには、リボソームタンパク質、20s rRNA、およびいくつかの非リボソーム因子が含まれる。40Sサブユニットの「くちばし」構造の最終的な形成は、Enp1-Ltv1-Rps3複合体とキナーゼHrr25が関与するリン酸化および脱リン酸化イベントの後に起こる。Dサイトでの20SプレrRNAの切断により、成熟した18s rRNAが生成される。この切断イベントは、Nob1、Rio1、Rio2、Tsr1、Fap7などのいくつかの非リボソーム因子に依存している。^[1]

プレ60Sサブユニットが成熟した60Sサブユニットに成熟するには、会合したり解離したりする多くの生合成因子が必要です。さらに、いくつかの組み立て因子は60Sサブユニットと会合しますが、他の組み立て因子は一時的にしか相互作用しません。全体的な傾向として、プレ60Sサブユニットの成熟は複雑さが徐々に減少する傾向があります。サブユニットは核小体から細胞質に移動しながら成熟し、徐々にトランス作用因子の数が減ります。^[3] 60Sサブユニットの成熟には約80の因子の助けが必要です。これらの因子のうち8つは、27S A3プレrRNAの処理に直接関与しており、実際に5.8S rRNAの成熟した5'末端の形成を完了します。A3因子は、プレRNA上の離れた部位に結合し、また互いに結合します。その後、rRNAの領域を互いに近づけ、pre-rRNA の処理とリボソームタンパク質のリクルートメントを促進します。3 つの AAA 型ATPase は、成熟中の 60S プレリボソームから因子を剥離する働きをします。ATPase の 1 つは、リング構造を形成する 6 つの異なる ATPase ドメインで構成されるダイニン様 Rea1 タンパク質です。リング構造は、MIDAS (金属イオン依存性接着部位) チップを持つ柔軟なテールに付着しています。Rea1 はリングを介して 60S プレリボソームと相互作用し、2 つの基質、Ytm1 と Rsa1 は MIDAS チップを介して Rea1 と相互作用します。これらの基質の役割はまだ定義されていません。ただし、両方とも、それらの相互作用とともに、60S プレリボソームの成熟プロセスで除去されます。他の 2 つの ATPase、Rix7 と Drg1 も、成熟中の 60S サブユニットからアセンブリ因子を除去する働きをします。ヘリカーゼとGTPase は、組み立て因子の除去と RNA の再配置にも関与し、完成した 60S サブユニットを形成します。細胞質に入ると (核輸出を参照)、60S サブユニットは機能するためにさらに処理されます。残りの大きなサブユニット リボソーム粒子は 60S ユニットと結合し、残りの非リボソーム組み立て因子は分離します。生合成因子の放出は、主に Lsg1 などの GTPase と Drg1 などの ATPase によって媒介されます。これらのイベントの正確な順序は不明です。現在の知識に関する限り、60S 細胞質成熟の経路は不完全です。^[3]

プレリボソームユニットが完全に成熟するためには、細胞質に輸出されなければならない。核小体から細胞質へ効率的に移動するために、プレリボソームは輸出受容体と相互作用し、核膜孔複合体の疎水性中央チャネルを通過する。^[3]カリオフェリン Crm1は両方のリボソームサブユニットの受容体であり、Ran-GTP依存的に輸出を媒介する。これはロイシンに富む核輸出シグナルを持つ分子を認識する。Crm1はNmd3と呼ばれるアダプタータンパク質の助けを借りて大きな60Sサブユニットに引き寄せられる。40Sユニットのアダプタータンパク質は不明である。Crm1に加えて、他の因子もプレリボソームの核輸出に関与している。Mex67と呼ばれる一般的なmRNA輸出受容体と、HEAT反復含有タンパク質Rrp12は、両方のサブユニットの輸出を促進する。これらの因子は非必須タンパク質であり、大きな分子であるためプレリボソームの輸出を最適化するのに役立ちます。^[3]

リボソームは非常に複雑なため、一定数のリボソームが誤って組み立てられ、機能しないタンパク質を合成する際に細胞のエネルギーと資源を浪費する可能性があります。これを防ぐために、細胞は損傷したリボソームや欠陥のあるリボソームを認識し、それらを分解の対象とする能動的な監視システムを備えています。監視メカニズムは、機能しないプレリボソームと機能しない成熟リボソームを検出するためのものです。さらに、監視システムは必要な分解装置を持ち込み、実際に機能しないリボソームを分解します。^[1]核内に蓄積したプレリボソームは、エキソヌクレアーゼ活性を持つマルチサブユニット複合体であるエキソソームによって破壊されます。欠陥のあるリボソームサブユニットが核小体から細胞質に侵入した場合、細胞質内の機能不全のリボソームを分解の対象とする第2の監視システムがそこに存在します。大きなリボソームサブユニットの残基の特定の変異は、実際にRNAの崩壊とユニットの分解をもたらします。リボソームの組み立てで起こり得る欠陥の数は非常に多いため、監視システムがどのようにしてすべての欠陥を検出するのかはまだわかっていませんが、監視システムは特定の欠陥をターゲットにするのではなく、それらの欠陥の結果（組み立ての遅延など）を認識すると仮定されています。つまり、成熟したリボソームの組み立てや成熟に障害がある場合、監視システムはサブユニットに欠陥があるかのように動作します。^[3]

リボソーム生合成の変異は、遺伝性骨髄不全症候群を含むいくつかのヒトリボソーム病の 遺伝性疾患と関連しており、遺伝性骨髄不全症候群は、がん素因と血球数の減少を特徴とする。リボソームの調節異常は、筋肉の消耗にも関与している可能性がある。^[13]

• RNAポリメラーゼ