EF-Tu

EF-Tu（elongation factor thermo unstable）

細菌のタンパク質合成は、細胞がその生命活動を維持するために不可欠なプロセスです。この複雑な仕組みの中で中心的な役割を果たす因子の一つが、EF-Tu（elongation factor thermo unstable）と呼ばれるタンパク質です。EF-Tuは細菌における主要な翻訳伸長因子であり、特定のアミノ酸が結合したtRNA、すなわちアミノアシルtRNA（aa-tRNA）を、タンパク質合成の場であるリボソームへと正確に運搬し、その結合を触媒する機能を持っています。GTP結合タンパク質（Gタンパク質）ファミリーに属し、リボソームのA部位（aminoacyl/acceptor site）におけるaa-tRNAの適切な選択と結合に貢献します。

細菌細胞内で最も豊富に存在するタンパク質の一つであり、多くの種でその構造が高度に保存されていることからも、翻訳という生命の根幹に関わるプロセスにおけるEF-Tuの極めて重要な機能性が示唆されます。

翻訳の仕組みにおけるEF-Tuの役割

タンパク質は、メッセンジャーRNA（mRNA）に記された遺伝情報に基づいて、リボソーム上でアミノ酸が鎖状に連結されて合成されます。この過程を「翻訳」と呼びます。翻訳は開始、伸長、終結の三段階に分かれており、EF-Tuは伸長段階に深く関わります。

伸長段階では、mRNA上の3つの連続した塩基配列（コドン）が特定のアミノ酸を指定します。アミノ酸はそれぞれに対応するtRNAに運ばれ、このアミノ酸が付加されたtRNAがaa-tRNAです。tRNAはその一端にアンチコドンを持ち、これがmRNA上のコドンと相補的に対合することで、正しいアミノ酸がポリペプチド鎖に組み込まれます。

リボソームには、翻訳の進行に伴ってtRNAが結合するA部位、P部位（peptidyl site）、E部位（exit site）の3つの結合部位があります。P部位には既に合成中のポリペプチド鎖に連結したtRNAが結合しており、次にリボソームのA部位に移動してきたaa-tRNAが、そこのコドンと自身のアンチコドンを対合させます。EF-Tuは、このaa-tRNAをリボソームのA部位へ運搬する役割を担います。

EF-TuはGTP（グアノシン三リン酸）と結合した活性型（EF-Tu•GTP）としてaa-tRNAと三者複合体（EF-Tu•GTP•aa-tRNA）を形成します。開始tRNAとセレノシステイン-tRNAを除く全てのaa-tRNAとほぼ等しい親和性で結合できる特性があります。この三者複合体がリボソームのA部位に接近し、aa-tRNAのアンチコドンがmRNAのコドンと対合します。

コドンとアンチコドンが正しく対合した場合、リボソームは構造変化を起こし、EF-Tuに結合したGTPを加水分解してGDPとリン酸に分解する活性（GTPアーゼ活性）を促進します。つまり、リボソームはEF-TuにとってのGTPアーゼ活性化タンパク質（GAP）のように機能します。GTPが加水分解されるとEF-Tuの立体構造が大きく変化し、aa-tRNAから解離してリボソームを離れます。解離したaa-tRNAはA部位に安定に結合し、続いてP部位のポリペプチド鎖のC末端とA部位のアミノ酸の間に新しいペプチド結合が形成され、ポリペプチド鎖全体がA部位のtRNAに移ります。

その後、別の伸長因子であるEF-G（translocaseとも呼ばれる）の作用により、tRNAとmRNAが協調的にリボソーム内を移動します（トランスロケーション）。これにより、E部位に移ったtRNAはリボソームから放出され、A部位にあったtRNAがP部位へと移動します。このサイクルを経て、ポリペプチド鎖は一アミノ酸ずつ伸長していきます。

リボソームから遊離したEF-Tuは、GDPと結合した不活性型（EF-Tu•GDP）となっています。細胞質に存在する別の伸長因子EF-Ts（elongation factor thermo stable）は、このEF-Tu•GDPからGDPを遊離させる反応を触媒します。GDPが解離すると、EF-Tuは細胞質中に豊富にあるGTPと再び結合し、活性型（EF-Tu•GTP）に戻ります。こうして再生されたEF-Tu•GTPが新たなaa-tRNAと結合し、次のサイクルに備えます。

翻訳の正確性の維持への貢献

翻訳の正確性は、生命活動にとって極めて重要です。EF-Tuは、aa-tRNAの選択だけでなく、その正確性を高めるためにも機能します。コドンとアンチコドンが完全に一致しない（ニアコグネイトまたはミスマッチ）aa-tRNAがA部位に結合しようとした場合、リボソームはEF-TuのGTP加水分解を効果的に促進しません。これにより、EF-Tu•GTPの状態でリボソームに留まる時間が長くなり、誤ったaa-tRNAがリボソームから解離して立ち去る確率を高めます。これは最初の精度向上メカニズムです。

さらに、EF-Tuはaa-tRNAがリボソームのA部位に完全に「収まる」（アコモデーションと呼ばれる過程）まで、その進行を遅延させる役割も持ちます。EF-Tuが解離してからアコモデーションが完了するまでの遅延期間は、ミスマッチなaa-tRNAがペプチド結合形成という不可逆的なステップに至る前にA部位から離脱するための二度目の機会を与えます。

加えて、あまり詳細には解明されていませんが、EF-Tuはaa-tRNA三者複合体の形成段階で、アミノ酸が対応するtRNAに正しく結合していない複合体をある程度識別し、排除する機能も持つ可能性が示唆されています。

その他の機能と構造

EF-Tuは翻訳以外にも機能を持つことが知られています。細菌の細胞骨格要素であるMreBと共に細胞膜直下に局在し、細胞の形態維持に関与していることが報告されています。EF-Tuに異常があると細胞の形に欠陥が生じることも観察されています。また、試験管内の実験では、変性したタンパク質の正しい立体構造への再フォールディングを助けるシャペロン様活性を示すことも示唆されています。

EF-Tuタンパク質は単量体であり、大腸菌（Escherichia coli）では約43キロダルトンの分子量を持っています。大きく分けて3つの構造ドメインから構成されます。N末端側のドメインIはGTP結合ドメインで、その構造は6本のαヘリックスに囲まれた6本のβストランドコアからなります。ドメインIIとドメインIIIはともにβバレル構造をとります。

特に、GTPがGDPに加水分解される際に、ドメインIの構造が大きく変化します。この変化によってEF-Tuはaa-tRNAから解離します。EF-TsによるGDPからの交換で再びGTPが結合すると、今度はドメインIがドメインIIおよびIIIに対して約90度回転するなど、別の大きな構造変化が起こります。この変化がEF-TuのtRNA結合部位を再び活性化させ、次のaa-tRNAを受け入れられる状態にします。

疾患との関連性：抗生物質の標的

EF-Tuは、リボソーム本体と並んで、多くの抗生物質にとって重要な標的となっています。EF-Tuの機能を阻害することで、細菌のタンパク質合成を停止させることができるからです。EF-Tuを標的とする抗生物質は、その作用機序から主に二つのグループに分けられます。一つはプルボマイシン（pulvomycin）やGE2270Aといった薬剤を含むグループで、これらはEF-Tu•GTP•aa-tRNAの三者複合体が形成される過程を阻害します。もう一つのグループにはキロマイシン（kirromycin）やenacyloxinなどがあり、これらはGTP加水分解後にEF-Tuがリボソームから適切に解離するのを妨害することで翻訳を阻害します。

これらの抗生物質は、EF-Tuの基本的な機能を標的とすることで、細菌の増殖を効果的に抑制します。

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