開始リボソームがppGppとどのように連携してmRNAを翻訳するのか？

How the initiating ribosome copes with ppGpp to translate mRNAs.

• Daria S Vinogradova
• Victor Zegarra
• Elena Maksimova
• Jose Alberto Nakamoto
• Pavel Kasatsky
• Alena Paleskava
• Andrey L Konevega
• Pohl Milón

抄録

宿主の植民地化の間、細菌は、DNA、RNA、およびタンパク質合成に多元的に作用することによって彼らのプロテオームを再構築するためにアラームーン(p)ppGppを使用しています。本研究では、開始リボソームがグアニシンヌクレオチドの細胞内プールを感知し、タンパク質合成への進行をどのように制御しているかを明らかにした。その結果、グアニシン三リン酸（GTP）の親和性と、30S結合型開始因子IF2に対するppGppの阻害濃度は、プログラムされたmRNAによって異なることが明らかになった。TufA mRNAは30S複合体に対するGTP親和性を高め、その結果、ppGpp耐性が改善され、効率的なタンパク質合成を可能にした。逆に、InfA mRNAは、ppGppがGTPとIF2を競合させ、30S複合体を失速させることを可能にした。また、TufA mRNAの構造モデル化と生化学的解析により、翻訳開始領域（TIR）に近接した2本の連続したヘアピンからなる構造化翻訳開始エンハンサー（SETI）が、グアニシンヌクレオチドの生理的濃度下でのppGpp耐性に大きく関与していることを明らかにした。さらに、我々の結果は、PPGpp耐性を高めるメカニズムがTufA mRNAに限定されないことを示している。最後に、IF2がppPGppを利用して30S開始複合体（IC）の形成を促進することができることを示した。以上のことから、我々のデータは、タンパク質合成の開始時にppGppの生理的濃度を許容する新規な制御機構を明らかにし、細菌が厳しい反応や感染症の間に起こる栄養シフトの機能としてプロテオームを調節するために利用できることを明らかにした。

During host colonization, bacteria use the alarmones (p)ppGpp to reshape their proteome by acting pleiotropically on DNA, RNA, and protein synthesis. Here, we elucidate how the initiating ribosome senses the cellular pool of guanosine nucleotides and regulates the progression towards protein synthesis. Our results show that the affinity of guanosine triphosphate (GTP) and the inhibitory concentration of ppGpp for the 30S-bound initiation factor IF2 vary depending on the programmed mRNA. The TufA mRNA enhanced GTP affinity for 30S complexes, resulting in improved ppGpp tolerance and allowing efficient protein synthesis. Conversely, the InfA mRNA allowed ppGpp to compete with GTP for IF2, thus stalling 30S complexes. Structural modeling and biochemical analysis of the TufA mRNA unveiled a structured enhancer of translation initiation (SETI) composed of two consecutive hairpins proximal to the translation initiation region (TIR) that largely account for ppGpp tolerance under physiological concentrations of guanosine nucleotides. Furthermore, our results show that the mechanism enhancing ppGpp tolerance is not restricted to the TufA mRNA, as similar ppGpp tolerance was found for the SETI-containing Rnr mRNA. Finally, we show that IF2 can use pppGpp to promote the formation of 30S initiation complexes (ICs), albeit requiring higher factor concentration and resulting in slower transitions to translation elongation. Altogether, our data unveil a novel regulatory mechanism at the onset of protein synthesis that tolerates physiological concentrations of ppGpp and that bacteria can exploit to modulate their proteome as a function of the nutritional shift happening during stringent response and infection.