原核・真核生物における翻訳開始；真核生物翻訳の調節；eIF2αリン酸化の役割

🧠 翻訳開始translation initiation 翻訳開始（translation initiation）translation initiation（翻訳開始） の核心は「正しい読み枠 reading frame 読み枠（reading frame） reading frame（読み枠） を確立するために、開始コドンstart codon 開始コドン（start codon）start codon（開始コドン） を正確にP部位 P site P部位（P site） P site（P部位） へ配置する」という1点に尽きる。 原核生物は「シャインShine (Shine–Dalgarno sequence)シャイン（Shine (Shine–Dalgarno sequence)）Shine (Shine–Dalgarno sequence)（シャイン）・ダルガーノ配列＋ホルミルメチオニン formylmethionine (fMet)ホルミルメチオニン（formylmethionine (fMet)） formylmethionine (fMet)（ホルミルメチオニン）」で直接位置を指定する一方、真核生物は「5′キャップから始めて開始コドン start codon 開始コドン（start codon） start codon（開始コドン） までスキャンする」という探索方式を取る。そしてeIF2αのリン酸化は、翻訳開始translation initiation 翻訳開始（translation initiation）translation initiation（翻訳開始） 装置そのものを「使い捨てにする」ことでストレス時に翻訳を全面停止させる、細胞の緊急ブレーキとして機能する。

翻訳開始の基本原理

翻訳の第一段階（開始、initiation）では、小・大リボソームサブユニット ribosomal subunit リボソームサブユニット（ribosomal subunit） ribosomal subunit（リボソームサブユニット） が、開始コドンstart codon 開始コドン（start codon）start codon（開始コドン） にMet-tRNA（メチオニンmethionineメチオニン（methionine）methionine（メチオニン））がリボソームP部位 P site P部位（P site） P site（P部位） に正しく位置づけられたmRNAの周りに組み立てられる。AUGコドン（メチオニンmethionineメチオニン（methionine）methionine（メチオニン））は大部分のmRNAで開始コドン start codon 開始コドン（start codon） start codon（開始コドン） として機能する。翻訳開始translation initiation 翻訳開始（translation initiation）translation initiation（翻訳開始） の重要な側面は、mRNA全体の正しい読み枠 reading frame 読み枠（reading frame） reading frame（読み枠） を確立することであり、これは開始コドン start codon 開始コドン（start codon） start codon（開始コドン） の正確な位置決めによって得られる。

原核生物・真核生物ともに2種の異なるメチオニン methionine メチオニン（methionine） methionine（メチオニン） tRNAを持つ：

→ アミノアシルtRNA合成酵素aminoacyl-tRNA synthetase アミノアシルtRNA合成酵素（aminoacyl-tRNA synthetase）aminoacyl-tRNA synthetase（アミノアシルtRNA合成酵素） （メチオニルmethionyl メチオニル（methionyl）methionyl（メチオニル） tRNA合成酵素）が両方のtRNAにメチオニン methionine メチオニン（methionine） methionine（メチオニン） を与える。

⭐ 想起retrieval 想起（retrieval）retrieval（想起） ： 小サブユニットsmall subunit 小サブユニット（small subunit）small subunit（小サブユニット） ＝mRNAに結合、大サブユニット＝ペプチド結合形成を担う（A＋P＋E部位）（24-the-structure-of-prokaryotic-and-eukaryotic-ribosomes-the-ribosome-cycle-binding参照）。

原核生物における翻訳開始

原核生物で翻訳を開始するtRNAに関して重要なのは、N-ホルミルメチオニン formylmethionine (fMet)ホルミルメチオニン（formylmethionine (fMet)） formylmethionine (fMet)（ホルミルメチオニン）が結合される点である——これが最初のアミノ酸となる。

flowchart TD
  A["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='small subunit'>小サブユニット</span>（30S）がIF1+IF3に結合"] --> B["<span class='jp-term jp-term-diagram' title='small subunit'>小サブユニット</span>がmRNA+IF2（GTP結合）+fMet-tRNAと結合"]
  B --> C["30S<span class='jp-term jp-term-diagram' title='initiation complex'>開始複合体</span>形成（最初のアミノ酸=N-<span class='jp-term jp-term-diagram' title='formylmethionine (fMet)'>ホルミルメチオニン</span>）"]
  C --> D["IF1・IF3が放出"]
  D --> E["大サブユニット（50S）が動員される"]
  E --> F["IF2がGTPを加水分解→<span class='jp-term jp-term-diagram' title='conformational change'>構造変化</span>→IF2放出"]
  F --> G["70S<span class='jp-term jp-term-diagram' title='initiation complex'>開始複合体</span>の形成"]

1. 小サブユニットsmall subunit 小サブユニット（small subunit）small subunit（小サブユニット） （30S）が開始因子（IF）1＋3に結合する
2. 小サブユニットsmall subunit 小サブユニット（small subunit）small subunit（小サブユニット） がmRNAをIF2（GTPと結合）＋ホルミルメチオニン formylmethionine (fMet) ホルミルメチオニン（formylmethionine (fMet)） formylmethionine (fMet)（ホルミルメチオニン） とともに結合する→30S開始複合体 initiation complex開始複合体（initiation complex） initiation complex（開始複合体）の形成（最初に付加されるアミノ酸はN-ホルミルメチオニン formylmethionine (fMet)ホルミルメチオニン（formylmethionine (fMet)） formylmethionine (fMet)（ホルミルメチオニン））
3. IF1＋IF3が放出される
4. 大サブユニット（50S）が動員される
5. IF2がGTPを加水分解し、構造変化conformational change 構造変化（conformational change）conformational change（構造変化） を引き起こす＝IF2の放出→70S開始複合体 initiation complex開始複合体（initiation complex） initiation complex（開始複合体）の形成

💡 原核生物が開始コドン start codon 開始コドン（start codon） start codon（開始コドン） を見つける仕組み＝シャイン Shine (Shine–Dalgarno sequence)シャイン（Shine (Shine–Dalgarno sequence)） Shine (Shine–Dalgarno sequence)（シャイン）・ダルガーノ配列。 真核生物のようにキャップからスキャンするのではなく、mRNA上の開始コドン start codon 開始コドン（start codon） start codon（開始コドン） の数塩基上流にあるプリンに富む配列（シャインShine (Shine–Dalgarno sequence)シャイン（Shine (Shine–Dalgarno sequence)）Shine (Shine–Dalgarno sequence)（シャイン）・ダルガーノ配列、AGGAGGなど）が、16S rRNAの3′末端側にある相補配列（アンチSD配列。16S rRNAの3′末端は5′-…A-C-C-U-C-C-U-U-A-3′で、このA-C-C-U-C-Cの部分がmRNA側のリボソーム結合部位 ribosome binding site リボソーム結合部位（ribosome binding site） ribosome binding site（リボソーム結合部位） を認識する）と塩基対合 base pairing 塩基対合（base pairing） base pairing（塩基対合） することで、30Sサブユニットがその場に直接載る¹。これにより開始コドン start codon 開始コドン（start codon） start codon（開始コドン） がP部位 P site P部位（P site） P site（P部位） に直接位置づけられる。原核のmRNAは複数のシストロンそれぞれにSD配列を持てるため、1本のmRNAから複数の蛋白を独立に翻訳できる（ポリシストロニック）——スキャン方式の真核生物が原則1本のmRNAから1種の蛋白しか作れないのと対照的である。

真核生物における翻訳開始

1) リボソームの解離

前回の翻訳からのリボソーム解離——サブユニットはeIFが小サブユニット small subunit 小サブユニット（small subunit） small subunit（小サブユニット） （40S）へ結合することで引き離された状態に保たれる。

2) 43S前開始複合体の形成

前開始複合体 initiation complex 開始複合体（initiation complex） initiation complex（開始複合体） は、eIF（1、1A、3）を伴う40SサブユニットがeIF5＋三者複合体 ternary complex三者複合体（ternary complex） ternary complex（三者複合体）と会合したときに形成される。三者複合体ternary complex 三者複合体（ternary complex）ternary complex（三者複合体） （tRNAiᴹᵉᵗ＋GTP結合eIF2）が40Sサブユニットに結合し43S前開始複合体 initiation complex開始複合体（initiation complex） initiation complex（開始複合体）を形成する。

タンパク質合成の制御点——eIF2αのリン酸化

• 三者複合体ternary complex 三者複合体（ternary complex）ternary complex（三者複合体） はeIF2がGTPと会合したときにのみ形成され、tRNAiᴹᵉᵗはGTPがeIF2と会合したときにのみ結合される
• 細胞がストレス下にあるとき、eIF2のα-サブユニット Ser51 サブユニット（Ser51） Ser51（サブユニット） のリン酸化が翻訳開始 translation initiation 翻訳開始（translation initiation） translation initiation（翻訳開始） を阻害する
• リン酸化された複合体は結合したGDPをGTPと交換できない——eIF2がtRNAiᴹᵉᵗを結合できないため→タンパク質合成が起こらなくなる

💡 「交換できない」の実体は、eIF2Bという交換因子（GEF）の奪い合いである。 eIF2はGTPを自力では持ち替えられず、eIF2Bというグアニンヌクレオチド交換因子 guanine nucleotide exchange factor (GEF) グアニンヌクレオチド交換因子（guanine nucleotide exchange factor (GEF)） guanine nucleotide exchange factor (GEF)（グアニンヌクレオチド交換因子） にGDP→GTPを入れ替えてもらう。Ser51がリン酸化されたeIF2は、基質ではなくeIF2Bの競合阻害 competitive inhibition 競合阻害（competitive inhibition） competitive inhibition（競合阻害） 剤になってeIF2Bの調節サブユニットに強く居座る²。細胞内でeIF2Bはリン酸化eIF2より少ないので、eIF2の一部がリン酸化されるだけで、リン酸化されていないeIF2の再生まで止まる——これが「1つの修飾で翻訳全体が落ちる」ことの仕組みである。

• ストレスの種類ごとに別々のeIF2αキナーゼが担当する：小胞体ストレス endoplasmic reticulum (ER) stress 小胞体ストレス（endoplasmic reticulum (ER) stress） endoplasmic reticulum (ER) stress（小胞体ストレス） ＝PERK、二本鎖RNAdouble-stranded RNA 二本鎖RNA（double-stranded RNA）double-stranded RNA（二本鎖RNA） （ウイルス感染）＝PKR、アミノ酸欠乏＝GCN2、ヘム欠乏＝HRI。入口は4つあるが、出口はeIF2αのSer51という1点に収束する（統合的ストレス応答）

⚠️ eIF2αのリン酸化はストレス応答の中心的な制御点である。 この単一の修飾がタンパク質合成全体をオン/オフする「マスタースイッチ」として機能する——ウイルス感染・アミノ酸欠乏・小胞体ストレスendoplasmic reticulum (ER) stress 小胞体ストレス（endoplasmic reticulum (ER) stress）endoplasmic reticulum (ER) stress（小胞体ストレス） など様々なストレス因 stressor ストレス因（stressor） stressor（ストレス因） 子がこの経路を介して翻訳を全体的に抑制しうる（67-endoplasmic-reticulum-stress-connection-between-the-unfolded-protein-response参照）。

⚠️ ただし「全面停止」ではない——一部のmRNAはこのとき翻訳が逆に上がる。 eIF2αリン酸化は全体の翻訳量を下げると同時に、ATF4のような特定のmRNAの翻訳を選択的に増やす。仕掛けはATF4 mRNAの5′リーダー reader リーダー（reader） reader（リーダー） にある2つのuORF（上流の小さな読み枠 reading frame読み枠（reading frame） reading frame（読み枠））である。非ストレス時はeIF2-GTPが潤沢なので、uORF1を訳し終えたリボソームはすぐ再充填されて手前の抑制的なuORF2で再開始してしまい、ATF4本体は訳されない。ストレス時はeIF2-GTPが乏しく再充填に時間がかかるため、リボソームはuORF2を読み飛ばしてATF4のコード領域で再開始する³。つまりこの制御点は「翻訳を止めるスイッチ」であると同時に、ストレス対応遺伝子だけを選んで通す関門でもある。

3) mRNA-eIF4複合体

43S前開始複合体 initiation complex 開始複合体（initiation complex） initiation complex（開始複合体） は5′（7-メチルグアノシン guanosineグアノシン（guanosine） guanosine（グアノシン）、7-methylguanosine）キャップに結合する。mRNAは5′キャップとポリA尾部の両方を持つeIF4複合体に結合する——この結合により環状複合体が形成される。

4) 48S開始複合体の形成

43S前開始複合体 initiation complex 開始複合体（initiation complex） initiation complex（開始複合体） はmRNAに沿って滑りながら走査 scanning 走査（scanning） scanning（走査） （スキャン）し、tRNAiᴹᵉᵗのアンチコドン anticodon アンチコドン（anticodon） anticodon（アンチコドン） が開始コドン start codon 開始コドン（start codon） start codon（開始コドン） （AUG）を認識するまで続く。開始コドンstart codon 開始コドン（start codon）start codon（開始コドン） の認識→GTPの加水分解（不可逆的段階）→さらなる走査 scanning 走査（scanning） scanning（走査） の停止→48S開始複合体 initiation complex開始複合体（initiation complex） initiation complex（開始複合体）の形成。

💡 「最初に出会ったAUGで止まる」わけではなく、周囲の配列（コザック配列）が採否を決める。 開始に最適な文脈は ACCATGG で、この範囲の1塩基置換だけで産物量が20倍の幅で変わる。中でも支配的なのはAUGの−3位がプリンかどうかで、そこがピリミジンだと−1・−2・+4位の影響を強く受けるようになる⁴。文脈が弱いAUGはスキャンするリボソームに素通りされ（リーキースキャニング）、下流のAUGから翻訳が始まる——同じmRNAから長短2種の蛋白ができる仕組みの一つである。

5) 80S開始複合体の形成

大サブユニット（60S）の複合体への結合（eIF5による）により、多くの他のeIFが置換される。全てのeIFが複合体を離れると、大サブユニット（60S）と48S開始複合体 initiation complex 開始複合体（initiation complex） initiation complex（開始複合体） が完全に結合し80S開始複合体 initiation complex開始複合体（initiation complex） initiation complex（開始複合体）を形成する（tRNAiᴹᵉᵗはP部位 P site P部位（P site） P site（P部位） にある）。

⭐ これは不可逆的な段階である——リボソームサブユニット ribosomal subunit リボソームサブユニット（ribosomal subunit） ribosomal subunit（リボソームサブユニット） はmRNA全体が翻訳されタンパク質合成が終わるまで解離しない。

flowchart TD
  A["リボソーム解離：eIFが40Sサブユニットに結合し分離を維持"] --> B["43S前<span class='jp-term jp-term-diagram' title='initiation complex'>開始複合体</span>：40S+eIF1/1A/3+eIF5+<span class='jp-term jp-term-diagram' title='tRNAiMet+eIF2-GTP'>三者複合体</span>"]
  B --> C["mRNA-eIF4複合体：5'キャップ+ポリA尾部を介した環状化"]
  C --> D["48S<span class='jp-term jp-term-diagram' title='initiation complex'>開始複合体</span>：スキャンにより<span class='jp-term jp-term-diagram' title='start codon'>開始コドン</span>AUGを認識→GTP加水分解（不可逆）"]
  D --> E["80S<span class='jp-term jp-term-diagram' title='initiation complex'>開始複合体</span>：60Sサブユニット結合→他のeIF全て解離"]
  E --> F["伸長開始（不可逆、mRNA全体の翻訳終了までサブユニットは解離しない）"]

まとめ

• 翻訳開始translation initiation 翻訳開始（translation initiation）translation initiation（翻訳開始） は原核生物・真核生物ともに小サブユニット small subunit 小サブユニット（small subunit） small subunit（小サブユニット） へのtRNAiᴹᵉᵗとmRNAの結合から始まるが、原核生物はシャイン Shine (Shine–Dalgarno sequence)シャイン（Shine (Shine–Dalgarno sequence)） Shine (Shine–Dalgarno sequence)（シャイン）・ダルガーノ配列と16S rRNA 3′末端の塩基対合 base pairing 塩基対合（base pairing） base pairing（塩基対合） で開始コドン start codon 開始コドン（start codon） start codon（開始コドン） を直接指定しホルミルメチオニン formylmethionine (fMet) ホルミルメチオニン（formylmethionine (fMet)） formylmethionine (fMet)（ホルミルメチオニン） を用いて30S→70S複合体を形成する¹一方、真核生物は43S前開始複合体 initiation complex 開始複合体（initiation complex） initiation complex（開始複合体） がmRNAをスキャンし、コザック配列の文脈を手がかりに開始コドン start codon 開始コドン（start codon） start codon（開始コドン） を選ぶ⁴という異なる方式を取る。
• eIF2αのリン酸化は三者複合体 ternary complex 三者複合体（ternary complex） ternary complex（三者複合体） 形成（GTP結合eIF2＋tRNAiᴹᵉᵗ）を阻害することで翻訳開始 translation initiation 翻訳開始（translation initiation） translation initiation（翻訳開始） 全体を停止させる、ストレス応答の中心的な制御点である。その実体はリン酸化eIF2が交換因子eIF2Bを競合阻害 competitive inhibition 競合阻害（competitive inhibition） competitive inhibition（競合阻害） して占有 occupy 占有（occupy） occupy（占有） することであり²、全体が下がる一方でuORFを持つATF4のようなmRNAはむしろ翻訳が上がる³。
• 真核生物の翻訳開始 translation initiation 翻訳開始（translation initiation） translation initiation（翻訳開始） は43S前開始複合体 initiation complex 開始複合体（initiation complex） initiation complex（開始複合体） →mRNA-eIF4環状複合体形成→48S開始複合体 initiation complex 開始複合体（initiation complex） initiation complex（開始複合体） （開始コドンstart codon 開始コドン（start codon）start codon（開始コドン） 認識、不可逆）→80S開始複合体 initiation complex 開始複合体（initiation complex） initiation complex（開始複合体） （全eIF解離、不可逆）という段階を経る。
• 80S開始複合体 initiation complex 開始複合体（initiation complex） initiation complex（開始複合体） 形成後はリボソームサブユニット ribosomal subunit リボソームサブユニット（ribosomal subunit） ribosomal subunit（リボソームサブユニット） がmRNA全体の翻訳終了まで解離しない、不可逆的なプロセス process プロセス（process） process（プロセス） となる。