翻訳とは、mRNAの設計図からアミノ酸鎖を合成する過程のことです。 これらのポリペプチド鎖は、機能的なタンパク質に折り畳まれます。 翻訳は、プレmRNAの核内処理が完了し、mRNA分子が核内孔を介して細胞質へ輸送されると、核の外で行われる。 翻訳は主に、粗面小胞体、核膜の外表面、または細胞質内に存在するリボソームによって促進される。
- 開始
- 伸長
- 終結
- リサイクル
翻訳には多くの分子構成要素が関わっていますが、その中でも最も顕著なのがリボソームです。 この巨大分子複合体は複数のタンパク質とrRNA分子で構成されている。 すべてのリボソームには小サブユニットと大サブユニットがあるが、これらのサブユニットの構成は生物種によって大きく異なっている。 たとえば、ヒトでは、小 40S サブユニットは 33 個のタンパク質と 1 個の 18S rRNA 分子で構成され、大 60S サブユニットは 47 個のタンパク質と 3 個の rRNA（5S, 5.8S および 28S）で構成されている。
ヒトのリボソームに関連するタンパク質は 80 個確認されているが、他の真核生物または原核生物では、わずか 34 個しか確認されていない。 リボソーム関連タンパク質には、複合体の安定化や翻訳の制御などの一般的な機能が提案されているが、一部は新たに合成されたタンパク質の翻訳共同修飾に起因している（総説あり）.
伸長
翻訳の開始、終了、リボソームのリサイクル段階と異なり、伸長を促すメカニズムは真核生物やバクテリア間で非常に保存されている（総説あり）.また、伸長タンパク質には、翻訳を制御し、翻訳を促進する機能がある。
コドン認識
伸長は、対応するアミノアシルtRNAによるmRNAコドンの認識から始まる、いくつかの明確に定義された段階を経て行われる。 mRNAとの結合はリボソームA部位を介して行われ、様々な伸長因子の影響を受ける。 例えば、GTPaseであるeEF1Aは、eEF1Bというグアニンヌクレオチド交換因子（GEF）によって活性化され、eEF1AからのGDPの解離を促進した後、アミノアシルtRNAをA部位に送り出す。
ペプチド結合の形成
mRNAのコドンを認識した後、アミノアシルtRNAとペプチジルtRNA（リボソームP部位に存在する）の間にペプチド結合が形成される。 この反応は、タンパク質ではなく、高度に保存されたリボソームRNAであるペプチジルトランスフェラーゼによって促進される。 ペプチド結合形成のメカニズムは、リボソーム基による化学的触媒作用というよりも、活性部位での構造変化が関与しており、有利なエントロピー変化によって駆動されている。
mRNAとtRNAのリボソーム内での移動
ペプチド結合が形成されると、Aサイトを占めていたペプチドtRNAがリボソームサブユニットのPサイトに移動し、同時に既存の脱アシル化tRNAと入れ替わり、Eサイトへ移動してリボソームから外に出て、空きスペースができる． アミノ酸鎖が成長し、AサイトとPサイトがそれぞれ新しいアミノアシルtRNAとペプチジルtRNAによって一時的に占有されると、リボソームを通じてmRNAの転座が起こる。
リボソームサブユニットの構造変化によって特徴づけられる2つのメカニズムが、mRNAとtRNAの転座を促進する。 これらは「ラチェッティング」と「スイベリング」として知られている。
ラチェッティングは翻訳のすべての段階で観察され、小さなリボソームサブユニットが大きなサブユニットに対して約8°のわずかな回転をすることがわかります（総説あり）。 これは、小サブユニットのヘッドドメイン（30S）の動きを伴う旋回とは異なる。 また、リボソームのヘリカーゼ活性は、二次構造であるmRNAの巻き戻しに重要な役割を担っている。
これらのメカニズムにより、最終的にtRNAは順次（Aサイト→Pサイト→Eサイト）移動し、mRNA-tRNA転座時に存在することが知られている中間状態の形成が可能になるのです。 この中間状態はハイブリッド状態とも呼ばれ、真核生物のモデルを例にして説明することができる。 ここで、AおよびPサイトを占めるtRNAの3’末端は60SサブユニットのPおよびEサイトを占めるように移動し、mRNAに付随する5’末端は40SサブユニットのAおよびPサイトにそれぞれ固定されたままである。 しかし、GTPの加水分解は、EF-Gまたは真核生物のホモログeEF2のGTPase活性を介して行われ、ラチェット機構を継続させ、mRNAとtRNAの5’末端をそれぞれAおよびP部位からPおよびE部位に移動させる。 A/A、P/P、E/E（60S/40S）構造が復元されると、EF-G-GDPはリボソームから解離し、A部位は新しいアミノアシルtRNA分子を受け取るために空いた状態になる。
EF-G / eEF2によるGTP加水分解と、それに続くヘッドドメインの旋回により、tRNAの自然な後方移動を防止して、tRNAの転移をさらに支援する。 ここで、大リボソーム（60S）と小リボソーム（40S）が組み合わされて、完全に機能する80Sリボソームが完成する。 このリボソームは翻訳されるmRNA鎖の開始コドン（AUG）に位置する（総説あり）。
開始はプロセス全体の中で速度を制限するステップと考えられ、主に真核生物開始因子（eIFs）として知られるタンパク質群によって制御され、調整されている。 これらの因子は、113kDaのeIF1サブユニットから700kDaのeIF3複合体まで、様々な大きさと複雑さをもっている。 ヒトでは、少なくとも12のeIFが協調して機能し、それぞれが明確な役割を担っており、その詳細については、.
開始は、eIF2、GTP、開始因子tRNA（Met-tRNAi）からなる三元複合体の形成から開始される。 三元複合体の主な役割は、開始因子を40Sサブユニットに送り、その後、PIC（pre-initiation complex）とも呼ばれる43S複合体を形成させることである。 PICは、eIF4GとeIF3の助けを借りて、mRNAの5′-末端またはその近傍に結合する。 このとき、7-メチルグアノシンキャップ（m7-G-cap）が目印となる。 いったん結合すると、PICは5’非翻訳領域をスキャンして開始コドンを探し出す。
5′-末端のリーダー配列は、いくつかのeIF（eIF4F、eIF4G、eIF4A、eIF4B、eIF3など）のヘリカーゼ活性によって巻き戻し状態に維持されている。 40Sサブユニットが開始コドンに位置すると、60Sサブユニットが動員されて伸長適合性のある80Sリボソームが形成される。 この時点で、mRNAの開始コドンはリボソームP部位に局在し、開始複合体全体が伸長段階に入る準備が整う。
ここで重要なことは、40Sサブユニットがm7-G-capとは無関係にmRNAに結合することがあることである。 この最も顕著な例は、細胞内のmRNAの5-10%で起こると考えられており、40Sサブユニットが内部リボソーム進入部位（IRES）に結合することである。
リボソームのリサイクル
翻訳の最終段階はリボソームのリサイクルであり、リボソームが小さなサブユニットに分裂して、次の翻訳に備えられるのである。 真核生物では、80Sリボソームが40Sと60Sサブユニットに分かれる。 このステップは翻訳プロセスの完了を意味するが、ポリペプチド鎖の合成に失敗したとき、損傷したmRNAに遭遇したとき、あるいは空のリボソームの組み立てに続いて起こるなど、他のさまざまな理由でも起こりうるものである。 さらに、この段階は、リボソームの分裂を促進する重要なタンパク質が、いくつかの開始因子（ABCE1は酵母モデルでeIF2、eIF3およびeIF5と会合することが示されている）と会合することから、しばしば開始の始まりと表現される。
真核生物では、リボソームのリサイクルは主にABCスーパーファミリーのATPaseであるABCE1（酵母ではRli1）により促進されている。 このタンパク質は2つのヌクレオチド結合ドメインとユニークなFeS1クラスター・ドメインを持ち、RF3-GDPがリボソームから解離した後、ポスト・ターミネーション複合体に結合している。 この結合は、FeSクラスターとeRF1との相互作用によって形成される。 重要なことは、ACBE1には、リボソームサブユニットや様々なリボソームタンパク質間の相互作用を可能にする多くの結合部位もあるということである。 例えば、最初のヌクレオチド結合ドメインにあるHLHモチーフは、18S rRNAおよびrpS24-Aと結合することが示されている。 リボソーム分裂の正確なメカニズムは不明であるが、真核生物においては、ATP加水分解によって引き起こされるABCE1の構造変化の結果であることが提唱されている。
先に述べたように、ペプチドの放出はリボソームサブユニットの解離やABCE1の結合のための必須条件ではない． このことは，リボソームのリサイクルがmRNAの損傷や空いたリボソームの集合に反応して誘導される場合に重要であり，終結とペプチドの放出を開始するためのストップコドンが検出されないからである． ABCE1はeRF1-eRF3-GTP複合体と同様にペプチドの放出を促進することができ、これはATP加水分解とは無関係に起こることが示されています。 ここでは、ATP加水分解がeRF1の構造変化を誘発し、ペプチジルtRNAの加水分解を促進する．
重要なことは、eRF1とeRF3はサブユニットの解離を開始するのに十分であると思われるが、これはより遅い速度で起こるであろう。
原核生物におけるリサイクルのメカニズムは真核生物のそれとは異なっており、主な違いは、バクテリアにおいてリボソームサブユニットを分離するためにEF-Gとともに作用する特殊なリボソームリサイクル因子（RRF）の存在である 。
翻訳の終結
翻訳のプロセスの次の段階は終結である。 このステップでは、mRNAの停止コドンが、成長中のタンパク質に追加のアミノ酸が追加されないことを示す。 真核生物における終結は2つの因子（eRF1とeRF3）のみによって促進され、3つの因子（RF1、RF2、RF3）が関与する原核生物のプロセスとは大きく異なっている。 真核生物では、ペプチド伸長が正常に終結するためには、ペプチドの放出と終結後複合体の形成という2つの異なる過程が必要である。 停止コドンが検出される前に翻訳を終了しなければならない場合、終了のステップはスキップされ、リボソームのリサイクルが早期に開始されることがある。 この場合、ペプチドの放出はABCE1によって促進される。
終止はリボソームAサイトに停止コドン（UAA、UGAまたはUAG）が入力されることによって開始される。 このコドンはクラス1放出因子(RF1)によって認識される。 真核生物では、この因子（eRF1）は、eRF1、eRF3およびGTPからなるあらかじめ組み立てられた三元複合体の一部としてリボソームに結合している 。 ストップコドンは、タンパク質のアミノ末端側に存在するNIKSモチーフなどの保存されたモチーフによって認識される。
eRF1はまた、ペプチジルtRNAの加水分解とペプチド転移酵素センター（PTC）からのペプチドの遊離を補助する。 これはeRF3によるGTP加水分解がeRF1の構造変化を引き起こし、「ミドル」（M）ドメインにあるGly-Gly-Gln（GGQ）モチーフがリボソームPTCに入り込み、ペプチジルtRNAの加水分解を促進する結果である。 このメカニズムは原核生物とは異なり、ペプチドの放出がRF3によるGTP加水分解に必要であり、それよりも先に行われる。
GTP加水分解とペプチドの放出後、RF3-GDPはタンパク質から解離し、RF1が残るが、これはポストターミネーション複合体として知られるリボソームと結合したままである … 続きを読む このようにして、リボソームはリボソーム再利用のための準備に入る。