リボソームの構造と機能

リボソームにおける翻訳伸長過程は大きく分けて，コドンの解読，新たなペプチド結合を形成するペプチド転移反応，そして次のコドンへのリボソームの転座からなる．ペプチド転移反応の活性中心であるペプチジルトランスフェラーゼセンター（PTC）は大サブユニットにあり，新たに合成されたペプチドは，大サブユニットを貫く出口トンネルを通って出てくる^{(3, 4)}3) N. Ban, P. Nissen, J. Hansen, P. B. Moore & T. A. Steitz: Science, 289, 905 (2000).4) S. Jenni & N. Ban: Curr. Opin. Struct. Biol., 13, 212 (2003).（図1図1■ペプチド転移反応の活性中心と出口トンネル）．出口トンネルはおよそ100Åの長さがあり，“伸びた”状態の新生ペプチドでは30～40アミノ酸残基を保持する．出口トンネルの内壁は大部分がrRNAで形成されているが，PTCから1/3ほど進んだところでリボソームタンパク質のuL4（L4*¹リボソームタンパク質の名称は生物間で異なっていたが，統一した名称が提唱されている⁽⁵⁾5) N. Ban, R. Beckmann, J. H. Cate, J. D. Dinman, F. Dragon, S. R. Ellis, D. L. Lafontaine, L. Lindahl, A. Liljas, J. M. Lipton et al.: Curr. Opin. Struct. Biol., 24, 165 (2014).．）とuL22（原核生物でL22p，真核生物でL17e*¹リボソームタンパク質の名称は生物間で異なっていたが，統一した名称が提唱されている⁽⁵⁾5) N. Ban, R. Beckmann, J. H. Cate, J. D. Dinman, F. Dragon, S. R. Ellis, D. L. Lafontaine, L. Lindahl, A. Liljas, J. M. Lipton et al.: Curr. Opin. Struct. Biol., 24, 165 (2014).．）が出口トンネルに突き出た部分があり，狭窄部位と呼ばれる⁽⁴⁾4) S. Jenni & N. Ban: Curr. Opin. Struct. Biol., 13, 212 (2003).．狭窄部位は新生ペプチドによるリボソームの停滞で「関所」のような役割をすると考えられている^{(1, 6)}1) K. Ito, ed.: “Regulatory Nascent Peptides,” Springer, 2014.6) H. Nakatogawa & K. Ito: Cell, 108, 629 (2002).．

図1■ペプチド転移反応の活性中心と出口トンネル

ペプチド転移反応の活性中心（PTC），新生ペプチドの通り道である出口トンネルと，狭窄部位を示す．ペプチド転移反応によってP部位のペプチジル–tRNAからA部位のアミノアシル–tRNAへとペプチドが転移され，ペプチドが外れたP部位のtRNAがE部位に，アミノ酸残基がひとつ伸びたA部位のペプチジル–tRNAがP部位へとそれぞれ移動する．なお，A, P, Eの各部位を示すために3つのtRNAを描いているが，tRNAが3つ同時に存在することはない．

シロイヌナズナCGS1遺伝子における翻訳伸長の一時停止によるリボソームの停滞

シロイヌナズナのCGS1遺伝子は，高等植物におけるメチオニン生合成の鍵となる段階を触媒するシスタチオニンγ-シンターゼ（CGS）をコードする．CGS1は核にコードされ，CGSは葉緑体に移行して機能する．CGS1の発現は，メチオニンの代謝産物であるS-アデノシルメチオニン（AdoMet）に応答した翻訳伸長の一時停止と，これと共役したCGS1 mRNA分解によるフィードバック制御を受ける^{(7, 8)}7) Y. Chiba, M. Ishikawa, F. Kijima, R. H. Tyson, J. Kim, A. Yamamoto, E. Nambara, T. Leustek, R. M. Wallsgrove & S. Naito: Science, 286, 1371 (1999).8) Y. Chiba, R. Sakurai, M. Yoshino, K. Ominato, M. Ishikawa, H. Onouchi & S. Naito: Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 100, 10225 (2003).（図2図2■CGS1遺伝子におけるAdoMetに応答した翻訳停止とmRNA分解によるフィードバック制御）．この制御にはCGS1のN末端領域にコードされたMTO1領域と呼ぶ十数アミノ酸残基からなる領域がシス配列として機能し⁽⁹⁾9) K. Ominato, H. Akita, A. Suzuki, F. Kijima, T. Yoshino, M. Yoshino, Y. Chiba, H. Onouchi & S. Naito: J. Biol. Chem., 277, 36380 (2002).，MTO1領域から数アミノ酸残基後のSer-94コドンで翻訳伸長が一時停止することでリボソームが停滞する⁽¹⁰⁾10) H. Onouchi, Y. Nagami, Y. Haraguchi, M. Nakamoto, Y. Nishimura, R. Sakurai, N. Nagao, D. Kawasaki, Y. Kadokura & S. Naito: Genes Dev., 19, 1799 (2005).（表1表1■新生ペプチドに依存してリボソームが停滞する遺伝子の例）．

図2■CGS1遺伝子におけるAdoMetに応答した翻訳停止とmRNA分解によるフィードバック制御

シスタチオニンγ-シンターゼ（CGS）はメチオニン生合成の主要な制御段階だが，アロステリック酵素ではない．CGSは核にコードされ，葉緑体に移行して働くが，メチオニン生合成の最終段階とAdoMet合成は細胞質で行なわれる．AdoMetは，細胞内のほとんどのメチル基転移反応に使われるほか，ポリアミン生合成，そして植物ではエチレンの生合成にも使われる重要な化合物である．CGSが翻訳中にフィードバック制御されるのは，細胞質のAdoMet濃度の恒常性維持のためには理にかなったことと言えよう．

表1■新生ペプチドに依存してリボソームが停滞する遺伝子の例

a −は自律的に起こる，もしくは報告されていないことを示す．bリボソームの停滞に関与するアミノ酸残基を色付きで，リボソームの停滞位置を下線でそれぞれ示す．*は終止コドン．c ermCLと類似した抗生物質に対する耐性機構は数多く報告されている（40）40) H. Ramu, A. Mankin & N. Vazquez-Laslop: Mol. Microbiol., 71, 811 (2009).．

リボソームの出口トンネルには30～40残基の新生ペプチドが収容されるので，Ser-94で翻訳停止したときMTO1領域はリボソームの出口トンネル内に位置している．AdoMetで翻訳停止を誘導すると，MTO1領域を含む新生ペプチドは出口トンネル内で縮んだコンフォメーションをとる．このとき，rRNAの側にも狭窄部位とPTCの近傍でコンフォメーション変化（もしくは新生ペプチドとrRNAの相互作用の変化）が起きており，出口トンネル狭窄部位が翻訳停止に関与していることを示唆している⁽¹¹⁾11) N. Onoue, Y. Yamashita, N. Nagao, D. B. Goto, H. Onouchi & S. Naito: J. Biol. Chem., 286, 14903 (2011).．

シロイヌナズナCGS1遺伝子におけるリボソームの停滞と共役したmRNA分解

AdoMetに応答したSer-94での翻訳停止と共役してCGS1 mRNAの分解が起こり，このときCGS1 mRNAの5′-末端領域を欠いた一連の分解中間体を生じる（図3図3■CGS1 mRNA分解とpoly（A）鎖長⁽¹⁴⁾）．これら分解中間体の5′-末端は，Ser-94で停滞したリボソームに後続のリボソームが追突して数珠つなぎになった各リボソームの5′-末端のごく近くにマップされる⁽¹²⁾12) Y. Yamashita, Y. Kadokura, N. Sotta, T. Fujiwara, I. Takigawa, A. Satake, H. Onouchi & S. Naito: J. Biol. Chem., 289, 12693 (2014).．