EIF4A

eIF4A

eIF4A（eukaryotic initiation factor 4A）は、真核生物においてmRNAからタンパク質を合成する過程、特にその開始段階で中心的な役割を果たすRNAヘリカーゼです。このタンパク質はeIF4A1、eIF4A2、eIF4A3という3つの closely related (密接に関連した) アイソフォームから構成されるファミリーを形成していますが、通常「eIF4A」と総称される際には、主に機能が類似しているeIF4A1とeIF4A2の二つを指すことが一般的です。これに対し、eIF4A3は他の二つとは異なる、特定の機能に関与していることが知られています。

背景

真核細胞の生命維持に不可欠なタンパク質合成機構は非常に複雑であり、その様々な段階で厳密な制御が行われています。特に、遺伝情報の読み取り（翻訳）をどのように調節するかは、古くから詳細な研究が進められてきた生命科学における重要なテーマの一つです。ヒトにおいては、翻訳の制御機構が様々な疾患の発症や進行に関与していることが示唆されており、基礎研究のみならず医学的な関心も高まっています。多くの真核生物種間で翻訳に関わる因子は共通しており、ウニの受精卵、マウスの脳組織、ウサギの網状赤血球といった様々なモデル系が、翻訳の開始や伸長過程の研究に用いられてきました。

細胞は外部からの様々な刺激に応じて、特定のタンパク質の合成を促進したり抑制したりすることで、その生存戦略を調整しています。これは、細胞を取り巻く環境の変化によって、合成されるタンパク質の相対的な比率が大きく変動しうることを意味しており、その可能性は既にジャコブとモノーによって示唆されていました。分子生物学の根幹をなすセントラルドグマに基づいて多くの仮説が立てられ、約半世紀が経過した現代においても、遺伝子発現、特に翻訳段階の複雑な制御機構には多くの未解明な部分が残されています。

真核生物における成熟したmRNAからタンパク質への翻訳は、主に「開始」「伸長」「終結」の三つの段階を経て進行しますが、このうち「翻訳開始」が全工程における律速段階、つまり最も速度を決定づける段階とされています。さらに、翻訳開始過程の中で最もボトルネックとなりやすいのが、リボソームの最小サブユニット（40Sサブユニット）がmRNAの5'末端にある特殊な構造（キャップ構造）に結合する直前の段階です。アミノ酸の不足といった細胞ストレスは、この段階で翻訳効率の低下を引き起こすことが知られています。

この重要な段階において、翻訳開始因子eIF2は、アミノ酸のメチオニンが付加された特定のtRNA（開始tRNA、Met-tRNAi）とエネルギー源であるGTPと共に、三者複合体（ternary complex: TC）を形成します。eIF2の活性は、グアニンヌクレオチドの交換やリン酸化といった分子修飾によって精密に調節されており、これが遺伝子発現調節における主要なポイントの一つとなっています。

翻訳が次の伸長段階へスムーズに進むためには、複数の翻訳開始因子の働きによってリボソームがmRNAに適切に結合すること、そしてmRNAの5'非翻訳領域（UTR）に存在する複雑な二次構造が効率的に解消されていることが不可欠です。この二次構造の解消などを担い、翻訳開始を促進するのがeIF4ファミリーをはじめとするeIF4グループの開始因子です。eIF4Aは特にeIF4Fと呼ばれる多タンパク質複合体の主要な構成要素であり、このeIF4F複合体は正常な翻訳調節だけでなく、がん細胞の発生や悪性化にも関与していることが示唆されており、活発な研究対象となっています。

機能機構

真核生物の翻訳開始に関わる因子群は、eIF1からeIF6までのグループに分類されています。eIF4F複合体は、別の翻訳開始因子であるeIF3を介して、40Sリボソームサブユニットがキャップ構造を持つmRNAに結合する過程を仲介します。eIF4F複合体は主に三つのサブユニットから構成されます。一つ目はmRNAのキャップ構造に特異的に結合するeIF4E（分子量約25 kDa）、二つ目は他の因子を結びつける足場タンパク質として機能するeIF4G（分子量約185 kDa）、そして三つ目がeIF4A（分子量約46 kDa）です。eIF4AはATPを加水分解するエネルギーを用いて、mRNAの5'UTRに形成された二本鎖RNAや複雑な二次構造を解きほぐすATP依存性RNAヘリカーゼとして機能します。これにより、リボソームがmRNAに結合しやすく、その後の翻訳が円滑に進行できる状態を整えます。

eIF4F複合体はeIF4E、eIF4G、eIF4Aの三者が集まることで形成されます。eIF4Aのヘリカーゼ活性は、eIF4B（分子量約80 kDa）の存在によって最大化され、さらにeIF4H（分子量約25 kDa）によってその活性が促進されることが知られています。コムギ胚芽を用いた実験からは、eIF4Bが存在しない状況では、eIF4AはATPよりもADPに対して高い親和性を示すのに対し、eIF4Bが存在するとADPへの親和性に影響を与えることなく、ATPへの親和性を約10倍高めることが示されています。これは、eIF4BがeIF4AによるATP利用効率を高め、ヘリカーゼ活性を促進するメカニズムの一つを示唆しています。

mRNAの5'キャップ領域に40SリボソームがeIF4Fなどの働きによって結合すると、この構造は48S複合体と呼ばれます。48S複合体はmRNA上をスキャンするように移動し、通常はAUGコドンである翻訳開始点（開始コドン）を見つけ出します。適切な開始コドンが認識されると、本格的な翻訳が開始される準備が整います。

分子情報

遺伝子

ヒトにおいて、eIF4A1タンパク質をコードする遺伝子（EIF4A1）は17番染色体に位置しており、11個のエクソンから構成されています。eIF4A2をコードするEIF4A2遺伝子は3番染色体に、そしてeIF4A3をコードするEIF4A3遺伝子は同じく17番染色体に存在します。

タンパク質構造とアイソフォーム

eIF4Aは、RNAヘリカーゼの大家族であるDEADボックスヘリカーゼファミリーの典型的なメンバーです。このファミリーの名前は、タンパク質配列中に高度に保存されたD-E-A-D（アスパラギン酸-グルタミン酸-アラニン-アスパラギン酸）という4つのアミノ酸配列モチーフが存在することに由来します。DEADボックスヘリカーゼは細菌からヒトまで幅広い生物種に普遍的に存在し、翻訳開始だけでなく、胚発生やRNAスプライシング、リボソーム生合成など、様々なRNA代謝過程に関与しています。

酵母のeIF4Aについて行われたX線結晶構造解析からは、約80オングストローム（Å）の長さを持ち、二つのドメイン（N末端ドメインとC末端ドメイン）が11アミノ酸残基（約18 Å）の比較的長いリンカーによって繋がれたダンベルのような形状をしていることが明らかになっています。このリンカーの存在により、溶液中ではある程度の柔軟性や伸縮性を持つと考えられています。

eIF4Aは細胞質に豊富に存在するタンパク質です。

eIF4Aファミリーの3つのアイソフォームのうち、eIF4A1とeIF4A2のアミノ酸配列の類似性は非常に高く、約95%に達します。ウサギ網状赤血球細胞全体に含まれるeIF4F複合体中の両者の存在比率は、eIF4A1がeIF4A2の約4倍であることが報告されています。これに対し、3番目のアイソフォームであるeIF4A3は、他の二つのアイソフォーム（eIF4A1とeIF4A2）とのアミノ酸配列類似性が約65%と比較的低いです。eIF4A3は、pre-mRNA（成熟前のmRNA）のスプライシング過程で形成されるエクソンジャンクション複合体（EJC）の構成要素として機能することが示されており、その主な役割が翻訳開始とは異なることが裏付けられています。

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