EF-Tu

EF-Tu (elongation factor thermo unstable) は、細菌の翻訳伸長因子（英語版）であり、アミノアシルtRNA (アミノ酸が付加されたtRNA、aa-tRNA) のリボソームへの結合を触媒する。EF-Tu はＧタンパク質で、リボソームのA部位でのアミノアシルtRNA の選択と結合を促進する。その翻訳における重要性は、EF-Tu が細菌のタンパク質の中で、最も豊富に存在し、そして高度に保存されているものの1つであることからもうかがえる。 翻訳伸長因子は、リボソームでの翻訳によって新しいタンパク質を合成するメカニズムの一部である。 tRNA はタンパク質配列に組み込まれる個々のアミノ酸を運搬する。アミノアシルtRNAには、tRNAのアンチコドンに対応するアミノ酸が付加されている。mRNA はタンパク質の一次構造をコードする遺伝情報を保有しており、mRNA上の各コドンがアミノ酸を指定している。リボソームは、mRNA の情報に従って aa-tRNA のアミノ酸をポリペプチド鎖に組み込んでいき、タンパク質の鎖を作りあげる。 リボソームには tRNA の結合部位が3つ存在する。A部位 (aminoacyl/acceptor site)、P部位 (peptidyl site)、そしてE部位 (exit site) である。P部位には合成中のポリペプチド鎖に結合したtRNAが結合しており、A部位では、そこに位置するmRNAのコドンに相補的なアンチコドンを持つ aa-tRNAの選別と結合が起こる。A部位での aa-tRNA の結合の後、P部位の tRNA のポリペプチド鎖とA部位の tRNA のアミノ酸の間でペプチド結合が形成され、ポリペプチド鎖全体がP部位の tRNA からA部位の tRNA へ転移する。その後、細菌の翻訳伸長因子 EF-G (歴史的には translocase として知られる) に触媒される形で tRNA と mRNA の協調的な移動 (トランスロケーション)が起こり、P部位の tRNA がE部位へ移動してリボソームから解離し、A部位の tRNA が代わりにP部位へ移動する。 EF-Tu はタンパク質合成のポリペプチドの伸長過程に関与する。細菌では、EF-Tu の主要な機能は正しい aa-tRNA をリボソームのA部位に運搬することである。EF-Tu はGタンパク質であり、その機能には GTP が利用される。リボソーム外で、GTP を結合した EF-Tu (EF-Tu•GTP) が aa-tRNA と安定な EF-Tu•GTP•aa-tRNA 三者複合体を形成する。EF-Tu•GTP は、開始tRNAとセレノシステイン-tRNA を除く、全ての正しくアミノ酸が付加された aa-tRNA とほぼ同じ親和性で結合する。アミノ酸残基の性質はそれぞれ異なるが、側鎖の結合親和性の差を補償するさまざまな構造を tRNA は持っている。 三者複合体はリボソームのA部位に移動し、tRNA のアンチコドンが mRNA のコドンと対合する。正しいアンチコドンが mRNA のコドンに対合している場合には、リボソームはその構成を変化させて EF-Tu の GTPアーゼドメインの形状を変化させる。その結果、EF-Tu に結合した GTP は GDP とリン酸に加水分解される。このように、リボソームは EF-Tu に対して GTPアーゼ活性化タンパク質 (GAP) のような機能を果たす。GTP の加水分解に伴って EF-Tu のコンフォメーションは劇的に変化し、aa-tRNA を解離してリボソームから出てゆく。その後 aa-tRNA はA部位に深く入り込み、そのアミノ酸部分はP部位のポリペプチドに近接する。そしてリボソームはP部位のポリペプチドからA部位のアミノ酸への共有結合の転移を触媒する。 細胞質では、細菌の翻訳伸長因子 EF-Ts（英語版） によって、不活性化された EF-Tu•GDP から GDP が取り除かれる。EF-Ts が EF-Tu から解離すると、EF-Tu は GTP と複合体を形成する。これは細胞質の GTP の濃度が GDP の濃度よりも5-10倍高いためである。このようにして再活性化された EF-Tu•GTP は、再び別の aa-tRNA と三者複合体を形成する。 EF-Tu は、3つの方法で翻訳の正確性に寄与する。翻訳における根本的な問題は、類似した (near-cognate) アンチコドンが正しい (cognate) アンチコドンと同等の親和性を持っているため、リボソームでのアンチコドン-コドン対合だけでは翻訳の正確性の高さを維持するには不十分である、ということである。これについては、A部位の tRNA が mRNA のコドンにマッチしないときには、リボソームが EF-Tu のGTPアーゼ活性を活性化しないことで対処がなされている。これによって、不正確な tRNA がリボソームから出て行く可能性が高められている。それに加え、EF-Tu は tRNA のマッチに関係なく、aa-tRNA を解離してから aa-tRNA がA部位に完全に納まるまで (accommodation と呼ばれる過程) を遅らせる。この遅延期間は、正しくないアミノ酸がポリペプチド鎖に非可逆的に付加される前に aa-tRNA がA部位から出ていく2番目の機会となる。3番目のメカニズムはあまり解明されていない機能で、EF-Tu は aa-tRNA を大雑把に検査し、アミノ酸がそれをコードする正しい tRNA に結合していない複合体をはじいている。 EF-Tu は細菌の細胞骨格にも多く見つかり、細胞の形状を維持する細胞骨格の要素であるMreB（英語版） とともに細胞膜の直下に局在している。EF-Tu の欠陥によって、細菌の形態に欠陥が生じることも示されている。加えて、EF-Tu はシャペロンのような機能を示すことがあり、in vitro では多くの変性タンパク質の再フォールディングを促進することを示唆する実験的なエビデンスが存在する。 EF-Tu は単量体タンパク質で、大腸菌 Escherichia coli では分子量は約 43k である。タンパク質は、GTP結合ドメイン (ドメインI) と、オリゴヌクレオチド結合ドメイン (ドメインII、III) の3つの構造ドメインから構成される。N末端のドメインIは6本のα-ヘリックスに囲まれた6本のβ-ストランドのコアからなり、ドメインIIとIIIは両方ともβ-バレル構造をとる。 GTPを結合するドメインIは GTP の GDP への加水分解によって劇的なコンフォメーション変化が起こり、それによって EF-Tu は aa-tRNA を解離してリボソームから出ていく。EF-Tu の再活性化は細胞質での GTP の結合によって行われ、再び大きなコンフォメーション変化によって EF-Tu の tRNA 結合部位が再活性化される。特に、EF-Tu への GTP の結合によって、ドメインIはドメインII、IIIに対して約90°回転し、tRNA 結合の活性部位の残基が露出する。 EF-Tu は、リボソームとともに、抗生物質による翻訳阻害の最も重要な標的の1つである。EF-Tu を標的とする抗生物質は、その作用機序によって2つのグループに分類される。最初のグループはプルボマイシン (pulvomycin) と GE2270A を含むグループであり、EF-Tu•GTP•aa-tRNA 三者複合体の形成を阻害する。2番目のグループはキロマイシン (kirromycin) と enacyloxin を含むグループであり、GTP の加水分解後のリボソームからの解離を阻害する。 細菌の翻訳伸長因子（英語版） EF-Ts（英語版） (elongation factor thermo stable) EF-G (elongation factor G) EF-P（英語版） (elongation factor P) eEF1（英語版）(eukaryotic elongation factor 1) EFR（英語版）(EF-Tu receptor) ^ 蛋白質構造データバンク 今月の分子81:伸長因子（Elongation Factors） ^ “Elongation factor Tu: a molecular switch in protein biosynthesis”. Molecular Microbiology 6 (6): 683–8. (1992年3月). doi:10.1111/j.1365-2958.1992.tb01516.x. PMID 1573997.  ^ “NCBI CDD Conserved Protein Domain EF-Tu”. www.ncbi.nlm.nih.gov. 2018年12月9日閲覧。 ^ a b “EF-G and EF4: translocation and back-translocation on the bacterial ribosome”. Nature Reviews. Microbiology 12 (2): 89–100. (2014年2月). doi:10.1038/nrmicro3176. PMID 24362468.  ^ a b “Initiation of protein synthesis in bacteria”. Microbiology and Molecular Biology Reviews 69 (1): 101–23. (2005年3月). doi:10.1128/MMBR.69.1.101-123.2005. PMC 1082788. PMID 15755955. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1082788/.  ^ a b “Ribosome structure and the mechanism of translation”. Cell 108 (4): 557–72. (2002年2月). doi:10.1016/s0092-8674(02)00619-0. PMID 11909526.  ^ a b c d “Mechanisms of EF-Tu, a pioneer GTPase”. Progress in Nucleic Acid Research and Molecular Biology 71: 513–51. (2002年1月1日). PMID 12102560.  ^ “Translation elongation factor EFTu/EF1A, bacterial/organelle (IPR004541) < InterPro < EMBL-EBI”. www.ebi.ac.uk. 2018年12月9日閲覧。 ^ a b “Protein Synthesis Copyright © by Joyce J. Diwan. All rights reserved. Molecular Biochemistry II. - ppt download”. slideplayer.com. 2018年12月9日閲覧。 ^ a b “Uniform binding of aminoacyl-tRNAs to elongation factor Tu by thermodynamic compensation”. Science 294 (5540): 165–8. (2001年10月). doi:10.1126/science.1064242. PMID 11588263.  ^ “Relative affinities of all Escherichia coli aminoacyl-tRNAs for elongation factor Tu-GTP”. The Journal of Biological Chemistry 259 (8): 5010–6. (1984年4月). PMID 6370998.  ^ a b “The ternary complex of EF-Tu and its role in protein biosynthesis”. Current Opinion in Structural Biology 7 (1): 110–6. (1997年2月). doi:10.1016/s0959-440x(97)80014-0. PMID 9032056.  ^ “Elongation factors on the ribosome”. Current Opinion in Structural Biology 15 (3): 349–54. (2005年6月). doi:10.1016/j.sbi.2005.05.004. PMID 15922593.  ^ “Accommodation of aminoacyl-tRNA into the ribosome involves reversible excursions along multiple pathways”. RNA 16 (6): 1196–204. (2010年6月). doi:10.1261/rna.2035410. PMC 2874171. PMID 20427512. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2874171/.  ^ “How EF-Tu can contribute to efficient proofreading of aa-tRNA by the ribosome”. Nature Communications 7: 13314. (2016年10月). doi:10.1038/ncomms13314. PMC 5095583. PMID 27796304. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC5095583/.  ^ “Bacterial translation elongation factor EF-Tu interacts and colocalizes with actin-like MreB protein”. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 107 (7): 3163–8. (2010年2月). doi:10.1073/pnas.0911979107. PMC 2840354. PMID 20133608. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2840354/.  ^ “Cytoskeletons in prokaryotes”. Cell Biology International 27 (5): 429–38. (2003年1月1日). doi:10.1016/s1065-6995(03)00035-0. PMID 12758091.  ^ “Cytoskeletal elements in bacteria Mycoplasma pneumoniae, Thermoanaerobacterium sp., and Escherichia coli as revealed by electron microscopy”. Journal of Molecular Microbiology and Biotechnology 11 (3-5): 228–43. (2006年1月1日). doi:10.1159/000094057. PMID 16983198.  ^ “Protein-disulfide isomerase activity of elongation factor EF-Tu”. Biochemical and Biophysical Research Communications 252 (1): 156–61. (1998年11月). doi:10.1006/bbrc.1998.9591. PMID 9813162.  ^ “Renaturation of rhodanese by translational elongation factor (EF) Tu. Protein refolding by EF-Tu flexing”. The Journal of Biological Chemistry 272 (51): 32206–10. (1997年12月). doi:10.1074/jbc.272.51.32206. PMID 9405422.  ^ “Purification of elongation factors EF-Tu and EF-G from Escherichia coli by covalent chromatography on thiol-sepharose”. Protein Expression and Purification 14 (1): 65–70. (1998年10月). doi:10.1006/prep.1998.0922. PMID 9758752.  ^ “Mapping Escherichia coli elongation factor Tu residues involved in binding of aminoacyl-tRNA”. The Journal of Biological Chemistry 271 (34): 20406–11. (1996年8月). doi:10.1074/jbc.271.34.20406. PMID 8702777.  ^ “Isolation of the protein synthesis elongation factors EF-Tu, EF-Ts, and EF-G from Escherichia coli”. Methods in Enzymology 60: 593–606. (1979年1月1日). doi:10.1016/s0076-6879(79)60056-3. PMID 379535.  ^ “Crystal structure of the EF-Tu.EF-Ts complex from Thermus thermophilus”. Nature Structural Biology 4 (8): 650–6. (1997年8月). doi:10.1038/nsb0897-650. PMID 9253415.  ^ “Crystal structure of the ternary complex of Phe-tRNAPhe, EF-Tu, and a GTP analog”. Science 270 (5241): 1464–72. (1995年12月). doi:10.1126/science.270.5241.1464. PMID 7491491.  ^ “A conserved amino acid sequence around Arg-68 of Artemia elongation factor 1 alpha is involved in the binding of guanine nucleotides and aminoacyl transfer RNAs”. Biochimie 69 (9): 983–9. (1987年9月). doi:10.1016/0300-9084(87)90232-x. PMID 3126836.  ^ “The crystal structure of elongation factor EF-Tu from Thermus aquaticus in the GTP conformation”. Structure 1 (1): 35–50. (1993年9月). PMID 8069622.  ^ “Antibiotic GE2270 a: a novel inhibitor of bacterial protein synthesis. I. Isolation and characterization”. The Journal of Antibiotics 44 (7): 693–701. (1991年7月). doi:10.7164/antibiotics.44.693. PMID 1908853.  ^ “Inhibitory mechanisms of antibiotics targeting elongation factor Tu”. Current Protein & Peptide Science 3 (1): 121–31. (2002年2月). doi:10.2174/1389203023380855. PMID 12370016.  ^ “Elongation factors in protein biosynthesis”. Trends in Biochemical Sciences 28 (8): 434–41. (2003年8月). doi:10.1016/S0968-0004(03)00162-2. PMID 12932732.  ^ “Elongation factor Tu-targeted antibiotics: four different structures, two mechanisms of action”. FEBS Letters 580 (19): 4576–81. (2006年8月). doi:10.1016/j.febslet.2006.07.039. PMID 16876786.  Peptide Elongation Factor Tu - MeSH、米国国立医学図書館、生命科学用語シソーラス (英語サイト)