細菌の翻訳

細菌の翻訳とは、メッセンジャーRNA（mRNA）に書き写された遺伝情報をもとに、細胞内でタンパク質が合成される生命現象です。この過程は、開始、伸長、終結、そしてリボソーム再生という一連の段階を経て進行します。

翻訳の開始

翻訳の最初のステップでは、特定の構成要素が集まって開始複合体を形成します。これには、リボソームを構成する大小のサブユニット（30Sと50S）、翻訳されるべきmRNA、タンパク質の最初のブロックとなるN-ホルミルメチオニンが付加された特殊な開始tRNA（fMet-tRNAifMet）、エネルギー源としてのグアノシン三リン酸（GTP）、そして開始複合体の組み立てを助ける翻訳開始因子（IF1、IF2、IF3）が必要です。

リボソームには、tRNAが結合するための3つの主要な部位があります。

- A部位（アミノアシル部位）: 新しいアミノ酸を運ぶtRNAが入ってくる場所です。ただし、最初の開始tRNAは例外的にP部位に直接結合します。
- P部位（ペプチジル部位）: 成長途中のペプチド鎖が付いたtRNAが保持される場所です。
- E部位（出口部位）: ペプチド鎖を渡した後のtRNAがリボソームから出ていく場所です。

翻訳がどこから始まるか（開始コドン）は、30SリボソームサブユニットとmRNAの特定の領域との相互作用によって決まります。細菌mRNAの多くでは、開始コドン（通常はAUG）の少し上流にプリン塩基に富んだシャイン・ダルガノ配列と呼ばれる領域が存在します。この配列は、30Sサブユニットの一部である16S rRNAにあるピリミジン塩基に富んだ配列と相補的です。これらの相補的な配列が結合することで、mRNAはリボソームに適切に配置され、開始コドンがP部位に位置付けられます。このシャイン・ダルガノ配列は細菌で広く保存されており、翻訳開始において重要な役割を果たしています。

ただし、すべての遺伝子がAUGを開始コドンとするわけではありません。大腸菌のlacオペロンに含まれるlacI（GUG）やlacA（UUG）のように、AUG以外のコドンから翻訳が始まる例も知られています。複数の研究から、大腸菌では少なくとも17箇所以上でAUG以外の開始コドンが使われている可能性が示唆されています。

翻訳の伸長

開始複合体が形成されると、ポリペプチド鎖の伸長段階が始まります。この段階では、アミノ酸が次々とペプチド鎖のC末端に追加されていきます。合成されたペプチド鎖は、リボソームの50Sサブユニットにあるトンネル（exit tunnel）を通って外部へ出ていきます。

伸長は、最初のfMet-tRNAifMetがP部位に結合し、新しいアミノアシルtRNAを受け入れるためにA部位が開くことから始まります。正しいアミノアシルtRNAがA部位に運ばれてくるのは、伸長因子EF-TuというGTP結合タンパク質の働きによります。リボソームは、正しいtRNAを迅速かつ正確に選ぶために、立体構造の変化を利用しています。

A部位に新しいアミノアシルtRNAが結合すると、P部位にあるtRNAからペプチド鎖が切り離され、A部位のtRNAに結合しているアミノ酸へと渡されます。この過程でペプチド結合が形成され、これがタンパク質合成の核心です。この反応は、リボソームの50Sサブユニットに含まれる23S rRNAが触媒するリボザイム活性によって行われます。

ペプチド結合ができた後、A部位には新しいペプチド鎖を持つtRNA（ペプチジルtRNA）が、P部位にはアミノ酸が外れたtRNA（デアシル化tRNA）があります。次に、リボソームはmRNA上を3ヌクレオチド分移動します。この移動（トランスロケーション）は伸長因子EF-Gによって触媒され、GTPの加水分解を伴います。トランスロケーションにより、P部位のデアシル化tRNAはE部位へ、A部位のペプチジルtRNAはP部位へ移動し、A部位には次のコドンが現れて新しいアミノアシルtRNAが結合できるようになります。E部位に移動したデアシル化tRNAはリボソームから放出されます。

この一連のステップ（新しいアミノアシルtRNAの結合、ペプチド結合の形成、トランスロケーション、デアシル化tRNAの放出）が繰り返されることで、ポリペプチド鎖は徐々に長くなっていきます。

リボソームは、mRNA上に終止コドン（UAA、UGA、UAG）が現れるまで、この伸長過程を続けます。これらの終止コドンはどのアミノ酸にも対応しておらず、tRNAに認識されません。

細菌の翻訳速度は、毎秒約18アミノ酸残基です。これは、DNA複製の速度（毎秒1000ヌクレオチド以上）に比べて遅いですが、タンパク質が20種類のアミノ酸から構成されることや、正確なアミノアシルtRNAを選ぶための確認機構があることなどが要因と考えられます。

細菌の翻訳の顕著な特徴は、転写（DNAからmRNAへの情報コピー）と翻訳が同時に進行する、いわゆる共役翻訳が起こることです。これは、細菌ではDNA、RNA、タンパク質合成が細胞質の同じ区画で行われるため可能です。一方、真核生物では転写が核で行われ、mRNAが細胞質に運ばれてから翻訳が始まるため、このような共役は起こりません。

翻訳の終結

mRNA上の終止コドンがリボソームのA部位に到達すると、翻訳は終了します。これらの終止コドンはtRNAではなく、終結因子（release factor, RF）と呼ばれるタンパク質によって認識されます。具体的には、RF1はUAAとUAGを、RF2はUAAとUGAを認識します。これらの終結因子が結合すると、P部位のtRNAと合成されたポリペプチド鎖との間の結合が切断され、完成したタンパク質がリボソームから放出されます。終結因子RF3は、RF1やRF2がリボソームから離れるのを助ける役割を担います。

リボソームの再生

翻訳が終結し、新生タンパク質が放出された後、リボソームは「終結後複合体」として残ります。この複合体は、終止コドンがA部位に、アミノ酸が外れたtRNAがP部位に結合した70Sリボソームです。リボソームの再生段階では、この複合体が解体され、次の翻訳ラウンドのためにリボソームの構成要素が再利用可能な状態に戻されます。

リボソーム再生因子（RRF）と伸長因子EF-Gが協力して、mRNAとtRNAをリボソームから取り外し、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させます。その後、開始因子IF3が30Sサブユニットに結合し、残ったtRNAやmRNAを取り除くのを助けます。これにより、各サブユニットや因子は次の翻訳を開始するために再会合できる状態になります。

ポリソーム

細菌では、1つのmRNAから効率よく多数のタンパク質を合成するため、複数のリボソームが同時に同じmRNAを翻訳することが一般的です。このように、1つのmRNA分子に複数のリボソームが結合して翻訳を行っている複合体は、ポリソームまたはポリリボソームと呼ばれます。リボソームのサイズが大きいため、mRNA上では約35ヌクレオチドの間隔を空けてリボソームが結合できるとされています。

翻訳の調節

細菌は、環境の変化、特に栄養が不足した際に、タンパク質合成の速度を低下させて細胞の活動を抑える（静止期に移行する）調節機構を持っています。

大腸菌を例に挙げると、静止期には複数の因子がリボソームに結合し、翻訳活性を制御します。リボソーム調節因子（RMF）は70Sリボソームを二量体化させ、中間体である90S複合体を形成します。さらに休眠促進因子（HPF）が結合することで、30Sサブユニットを介して連結された100Sリボソーム粒子という翻訳不活性なリボソーム二量体が形成されます。HPFと同様に、YfiA（かつてRaiAと呼ばれた）も静止期にリボソームに結合するタンパク質です。HPFとYfiAは構造が似ており、リボソームのA部位とP部位に結合できます。RMFは16S rRNAとmRNAの相互作用を妨げることで、リボソームがmRNAに結合するのを阻害します。YfiAがリボソームに結合すると、その一部がRMFの結合を妨げるため、リボソームは二量体化せずに、やはり翻訳不活性な70S単量体として存在することがあります。

リボソームのサブユニット会合を妨げる別の因子としてRsfS（以前はRsfまたはYbeBと呼ばれた）があります。RsfSは50SサブユニットのL14タンパク質に結合し、50Sサブユニットと30Sサブユニットが結合して機能的な70Sリボソームが形成されるのを阻害することで、翻訳活性を低下または停止させます。RsfSはほとんどの真正細菌に存在し、真核生物のミトコンドリアや葉緑体にも相同タンパク質が見られますが、その制御機構はまだ十分に解明されていません。

大腸菌には、熱ショックなどのストレス時にリボソームを解離させるHflXと呼ばれる因子も存在します。HflXは、空のリボソームやmRNAに結合したリボソームを解離させることが示されています。HflXは終結因子と似た様式でリボソームに結合し、リボソームの構造を変化させることでサブユニットの解離を促進します。したがって、HflXがないと、ストレスによって機能停止したリボソームが蓄積する可能性があります。

抗生物質の効果

多くの抗生物質は、細菌の翻訳機構を特異的に阻害することで抗菌作用を発揮します。これらの薬剤は、細菌とヒトなどの真核生物における翻訳機構の違いを利用しており、宿主細胞への影響を最小限に抑えつつ、細菌のタンパク質合成を選択的に阻害します。

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