10.6: 原核生物の翻訳
RNAがRNAPから出てきて、リボソームを収容する十分なスペースがあれば、原核生物では翻訳を開始することができます。 実際、高発現遺伝子では、複数のRNAポリメラーゼがDNAを転写し、それぞれの転写産物に複数のリボソームがついて、mRNAをタンパク質に翻訳しているのを見るのは珍しいことではないでしょう! このプロセスは、まず小リボソームサブユニット（小サブユニットのみ。大サブユニットに付着しているとmRNAに結合できない）がmRNAにゆるく結合し、発見者の名にちなんでシャイン・ダルガーノ配列と呼ばれる認識配列を探してスキャンすることから始まる。 これが小リボソームサブユニットrRNAに認識されると、小サブユニットは開始コドン（AUG）の周辺に配置される。 この過程は以下のような開始因子によって促進される。
30Sリボソームサブユニットは、50Sリボソームサブユニットに結合していた場合はそこから解離し、開始因子IF-1とIF-3に結合する。 IF-1はA部位に結合し、リボソームが完全に組み立てられる前に、新しいアミノアシルtRNA分子が入り込むのを防ぐ。 また、開始複合体の組み立てと安定化を促進する。 IF-3は、30SサブユニットがmRNAに結合するために必要である。 これが起こると、IF-2-GTPが現場に到着し、開始因子アミノアシルtRNAを運んでくる。 このtRNAは、mRNAのAUG開始コドンの上にtRNAのアンチコドンが位置するように、P部位に置かれる。 50Sサブユニットが30Sサブユニットに結合して完全なリボソームを形成するためには、IF-2に結合しているGTPの加水分解とすべての開始因子の放出が必要である。 GTPの加水分解が必要なため、サブユニットの結合は自発的には不可逆的であり、翻訳の終了時にエネルギーを消費する必要がある。 50Sサブユニットが30Sサブユニットと結合すると、A部位は次のアミノアシルtRNAを受け入れる準備ができる。 3つ目のアミノ酸が加わった時のペプチド結合の形成。 前の2つのアミノ酸はペプチド結合しているとともに、2番目のアミノ酸からtRNAに結合している。 アミノアシル-tRNA結合が切断され、最初のジペプチドと3番目のアミノ酸をつなぐペプチド結合に移行/変換される。
よくある、理解できる誤解は、リボソームに運ばれた新しいアミノ酸は、成長しているポリペプチド鎖に加えられるというものである。 実は、そのメカニズムは全く逆で、新しいアミノ酸の上にポリペプチドが付加されるのです（図(㊦)）。 これは、新しいタンパク質に追加される2番目のアミノ酸から始まります（図㊦）。 最初のアミノ酸はメチオニンで、IF-2とイニシエーターtRNAと一緒に入ってきたのを覚えていますね。 新しいアミノアシルtRNAは、GTPを運ぶ伸長因子であるEF-Tuによってエスコートされる。 aa-tRNAが所定の位置に来ると、EF-TuはGTPを加水分解し、アミノアシルtRNAとリボソームから解離します。
長い間、mRNAのすぐ隣のコドン上に2つのtRNA分子が同時にドッキングすることには、少し謎が残っていました。 通常の条件下では、tRNAはかなりかさばるため、十分なスペースがなく、一方がもう一方のmRNAに到達してコドン-アンチコドンを一致させるのを妨害するはずだからです。 2001年、X線結晶構造解析の結果、PスロットのコドンとAスロットのコドンの間でmRNAが曲がっていることがわかり、この問題はようやく解決した。 この曲がりによって、2つのtRNAはわずかに異なる角度になり、両者がmRNAと水素結合を維持するのに十分なスペースができたのである。 Yusupov et al, Science 292 (5518): 883-896, 2001を参照。
新しいアミノアシルtRNAがリボソームのAスロットに落ちると、アンチコドンはmRNAのコドンと並びます。 もし相補性がなければ、アミノアシルtRNAはすぐにスロットから浮き上がり、別の候補に置き換わります。 しかし、相補性がある場合（あるいはそれに近い場合、ウォブルの考えを思い出すとよい）、コドンとアンチコドンの間にH結合が形成され、tRNAがコンフォメーション変化し、EF-Tuの構造が変化してGTPからGDP + Piへの加水分解が起こり、aa-tRNAから放出される。 コドン-アンチコドン相互作用は、リボソームの触媒活性がPスロットでfMetとtRNAfの間の結合を加水分解し、AスロットでfMetをペプチド結合で新しいアミノ酸に結合するのに十分な時間安定である。 新しいアミノ酸はまだそのtRNAに結合しており、この過程でリボソームはmRNAとtRNAに対して位置を移動させる。 これにより、Eスロットにはアミノ酸が結合していない空のtRNAfが、PスロットにはMetに結合したaaに結合したtRNAaaが置かれ、Aスロットには再び新しいtRNAが入る余地ができる。 伸長因子EF-Gは、EF-Tuが離れるとすぐにAスロット付近に結合し、リボソームの転座に必要な、リボソームへ運ぶGTPを加水分解してプロセスのエネルギーを提供します。 私の学生時代の経験から、これを学ぶには、図を見ながら分子の動きを見て、頭の中で仕組みの詳細を埋めていくのが一番良いようです。 このプロセスは、リボソームがAスロットを停止コドンに一致させるまで続きます。 翻訳の終了。
停止コドンのアンチコドンを持つtRNAは存在しない。 代わりに、リボソームのAサイトに入り、停止コドンに結合し、リボソームを活性化してポリペプチド鎖と最後のtRNAの結合を切断する一連の放出因子が存在する（図㊧）。 停止コドンの有無により、RF1（UAAまたはUAGを認識）またはRF2（UAAまたはUGAを認識）のどちらかが最初にAスロットに入る。 RF1またはRF2はRF3と複合体化し、RF3はその後のAスロットからのRF複合体の放出に関与する。 これは、ポリペプチドがリボソームから放出された後、mRNAを放出する必要があるためである。 リボソーム放出因子（RRF）もAスロットに結合し、リボソームの構造変化を引き起こし、以前の、そして今は空のtRNAを放出させる。 最後に、EF-GがRRFに結合し、GTPの加水分解を伴い、リボソームを大小のサブユニットに分離させる。 EF-Gは停止コドン以外の場所では、リボソームの移動において別の役割を果たす。