EF-G

EF-G（elongation factor G）

EF-Gは、細菌におけるタンパク質合成、特にその伸長段階を担う重要な因子であり、翻訳伸長因子として知られています。かつてはトランスロカーゼとも呼ばれていました。この因子はGTPを加水分解する活性（GTPアーゼ活性）を持ち、このエネルギーを利用して、リボソーム上でtRNAとmRNAの位置を移動させる反応、すなわちトランスロケーションを促進します。

構造

大腸菌（Escherichia coli）由来のEF-Gは、704個のアミノ酸から構成され、ドメインIからドメインVまでの5つの機能的な領域に分かれます。N末端側に位置するドメインIは、GTPの結合と加水分解を担うためGドメインとも呼ばれ、リボソームへの結合にも関与します。ドメインIVはトランスロケーションにおいて特に重要な役割を果たし、リボソームの30SサブユニットにおけるA部位に結合する際に大きな構造変化を伴い、mRNAおよびtRNAをA部位からP部位へ押し出す動きを助けます。

これら5つのドメインは、さらにスーパードメインI（ドメインIとII）とスーパードメインII（ドメインIIIからV）の2つの大きな領域に分けられます。翻訳の進行中、スーパードメインIはリボソームとの強固な結合を維持する役割を担い、その構造は比較的安定しています。一方、スーパードメインIIは、トランスロケーションの過程で大きな回転運動を起こします。このスーパードメインIIの「POST状態」と呼ばれる構造は、アミノアシルtRNAをリボソームに運搬する別の伸長因子であるEF-TuがGTPとアミノアシルtRNAを結合した状態の複合体（EF-Tu•GTP•アミノアシルtRNA）が持つtRNA分子の形状を模倣していることが示唆されています。

リボソーム上での相互作用

EF-Gはリボソームの特定の部位と相互作用します。細菌のリボソーム50Sサブユニットには、唯一複数のコピーが存在するタンパク質であるL7/L12があり、これは多くのGTPアーゼ、例えば翻訳開始因子IF2、伸長因子EF-TuやEF-G、終結因子RF3などの結合部位となります。特に、L7/L12のC末端部分はEF-Gに結合し、EF-GのGTP加水分解を促進するために必要不可欠です。

また、リボソームのGTPアーゼセンター（GAC）と呼ばれる領域とも相互作用します。GACは、23S rRNA上のL11ストークとサルシン-リシンループ（SRL）という短い領域で構成されます。SRLは進化的に高度に保存されており、様々なGTPアーゼがリボソームへ結合する際に重要ですが、GTPの加水分解自体には必須ではないと考えられています。しかし、SRLの特定のヌクレオチド（A2662）のリン酸基の酸素原子がGTP加水分解を補助するという証拠も存在します。

翻訳伸長における機能

EF-Gの主要な役割は、ポリペプチド鎖がアミノ酸一つ分伸長するごとに、リボソーム上にあるtRNAとmRNAを次コドン分だけ下流（5'から3'方向）へ移動させるトランスロケーションを触媒することです。ポリペプチド鎖の伸長反応では、ペプチジル転移酵素中心（PTC）がP部位のtRNAに結合したポリペプチド鎖を、A部位にある新しいアミノ酸を結合したtRNAへ転移させ、ペプチド結合を形成します。この反応後、リボソームの50Sと30Sサブユニットは、互いに対して約7度回転可能な状態になります。このサブユニットの回転は、A部位のtRNAの3'末端が50SサブユニットのP部位側へ、P部位のtRNAの3'末端が50SサブユニットのE部位側へ移動する動きと連動しています。この際、30Sサブユニット側のアンチコドンループは元の位置に留まります。このようにして生じる、一つのtRNAがA/Pハイブリッド、もう一つのtRNAがP/Eハイブリッドの状態にある回転済みリボソーム中間体が、GTPを結合したEF-Gの基質となります。

EF-Gは、GTPを結合した状態で、この回転済みリボソームのA部位近傍に結合します。結合後、EF-GはそのGTPアーゼ活性により、GTPをGDPと無機リン酸（Pi）に加水分解します。このGTP加水分解に伴いEF-Gは劇的な構造変化を起こし、その変化がリボソームに伝わることで、A/PハイブリッドtRNAを完全にP部位へ、P/EハイブリッドtRNAを完全にE部位へ移動させます。同時に、mRNAもリボソームに対して正確に3ヌクレオチド分下流へ移動します。これにより、E部位に到達したtRNAはリボソームから解離し、A部位が再び空き、次の伸長サイクルが開始できる状態になります。その後、GDPを結合したEF-Gはリボソームから解離します。

翻訳終結における機能

翻訳伸長は、mRNA上に終止コドンが出現するまで繰り返されます。終止コドンがリボソームのA部位に達すると、クラスI翻訳終結因子（RF1またはRF2）がそこに結合します。クラスI因子は、P部位のtRNAに結合している新生ポリペプチド鎖とtRNA間のエステル結合を加水分解し、ポリペプチド鎖をリボソームから遊離させます。新生ペプチドは速やかに折りたたみを開始しつつリボソームを離れ、リボソーム上にはmRNA、P部位に結合した脱アシル化tRNA、そしてA部位に結合したクラスI終結因子が残されます。

クラスI終結因子がクラスII終結因子（RF3）によってリボソームから除去された後、リボソームを再利用可能な状態に戻すための「リボソーム再生」の過程が進行します。この過程は、リボソーム再生因子（RRF）、翻訳開始因子IF3、そしてEF-Gによって触媒されます。まずRRFがリボソームのA部位に結合します。次にEF-GがGTPを結合してリボソームに結合し、GTPを加水分解する際に生じる大きな構造変化を利用して、RRFをリボソームの下流方向へ押し込みます。この動きが引き金となり、残っていたtRNAがリボソームから解離すると共に、リボソームのサブユニット間で回転が生じます。この回転は、30Sと50Sサブユニットを繋いでいるB2a/B2bブリッジを切断し、結果としてリボソームを構成する二つのサブユニット（30Sと50S）を解離させます。解離した30SサブユニットにはIF3が結合し、サブユニットが再度結合するのを防ぐことで、次の翻訳開始に備えます。

臨床的重要性

病原性細菌のEF-Gは、その機能が細菌の生存に不可欠であるため、多くの抗生物質の標的となっています。これらの抗生物質は、EF-Gのリボソームへの結合、トランスロケーションの実行、またはリボソームからの解離といった、EF-Gの様々な段階の働きを阻害することで抗菌作用を発揮します。

例えば、チオストレプトンはEF-Gがリボソームに安定的に結合するのを妨げます。DityromycinやGE82832といった抗生物質は、EF-Gのリボソームへの結合自体には影響しませんが、EF-GによるA部位のtRNAのトランスロケーションを阻害することで翻訳を停止させます。

フシジン酸は、黄色ブドウ球菌（Staphylococcus aureus）を含む多くの細菌の増殖を抑制することが知られています。この薬剤は、EF-Gがトランスロケーションを完了した後にリボソームに結合し、EF-Gがリボソームから正常に解離するのを阻害することで作用します。これにより、リボソームがEF-Gにロックされた状態となり、次の伸長サイクルへ進めなくなります。しかし、一部の細菌株では、EF-GをコードするfusA遺伝子に点変異が生じることで、フシジン酸がEF-Gに結合できなくなり、結果として薬剤耐性を獲得することが知られています。

進化

翻訳伸長因子としてのEF-Gの機能は、地球上の全ての生命体（細菌、古細菌、真核生物）に共通して存在し、リボソームにおける同様のプロセスを担っています。真核生物におけるEF-GのホモログはeEF2（eukaryotic elongation factor 2）、古細菌におけるホモログはaEF2と呼ばれます。細菌（および一部の古細菌）では、EF-GをコードするfusA遺伝子は、多くの場合、リボソームタンパク質遺伝子と共に保存されたオペロン（strオペロン）内に、一般的に5'-rpsL-rpsG-fusA-tufA-3'という遺伝子順序で配置されています。これは、これらの遺伝子産物が協調して機能することを示唆しています。

一方、スピロヘータ門、プランクトミケス門、デルタプロテオバクテリア綱（これらをまとめて「spd」グループと呼ぶことがあります）に属する一部の種では、主要なEF-Gとは異なる、spdEFG1とspdEFG2という2種類のEF-Gが存在することが報告されています。これは、これらの生物においてEF-Gの機能が分担されている可能性を示唆しています。

さらに、真核生物のミトコンドリアにおける翻訳伸長因子であるmtEFG1とmtEFG2は、これらspdEFG1とspdEFG2から進化したと考えられています。ミトコンドリアでは、細菌におけるEF-Gが担っていた伸長と終結・再生の役割が分担されており、mtEFG1がトランスロケーションを、mtEFG2がミトコンドリア版RRFと協力して翻訳の終結およびリボソーム再生をそれぞれ担当しています。このように、EF-Gの機能は進化の過程で多様化し、特定のコンパートメントや生物群において専門化が進んでいることが分かります。

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