اتصال ریبوزومی و گزینش‌پذیری باکتریایی

این موضوع به اصل یکپارچه کننده آنتی‌بیوتیک‌های مهارکننده سنتز پروتئین می‌پردازد: اینکه هر دسته در کجای ریبوزوم باکتریایی متصل می‌شود و چرا این مکان‌ها به داروها اجازه می‌دهند تا ترجمه باکتریایی را سرکوب کنند در حالی که تا حد زیادی میزبان را مصون نگه می‌دارند. تفاوت‌های ساختاری بین ریبوزوم 70S باکتریایی و ریبوزوم سیتوپلاسمی یوکاریوتی است که مهار انتخابی را ممکن می‌سازد.

Definition

اتصال ریبوزومی و گزینش‌پذیری باکتریایی به مبنای ساختاری و عملکردی اشاره دارد که توسط آن آنتی‌بیوتیک‌ها جایگاه‌های مشخصی را در ریبوزوم باکتریایی شناسایی کرده و ترجمه را مهار می‌کنند، و به تفاوت‌های بین ریبوزوم‌های باکتریایی و میزبان که به این داروها اجازه می‌دهد به طور انتخابی بر روی پاتوژن عمل کنند.

Scope

این مدخل معماری ریبوزوم باکتریایی، جایگاه‌های اصلی اتصال عملکردی که توسط آنتی‌بیوتیک‌ها مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرند (جایگاه رمزگشایی زیرواحد 30S و مرکز پپتیدیل ترانسفراز و تونل خروجی زیرواحد 50S)، مبنای ساختاری سمیت انتخابی، و چگونگی تغییرات در جایگاه هدف که هم اتصال و هم گزینش‌پذیری را کاهش می‌دهد، پوشش می‌دهد. این یک سنتز مرجع-آموزشی است، نه راهنمای تجویز.

Core questions

• جایگاه‌های عملکردی اصلی در ریبوزوم باکتریایی که آنتی‌بیوتیک‌ها هدف قرار می‌دهند کدامند؟
• چرا این داروها می‌توانند ترجمه باکتریایی را بدون مهار یکسان سنتز پروتئین میزبان مهار کنند؟
• چگونه ساختارهای بلوری ریبوزوم درک ما از اتصال آنتی‌بیوتیک را بهبود بخشید؟
• چگونه جهش‌های جایگاه هدف و تغییرات rRNA اتصال را از بین می‌برند و گزینش‌پذیری را کاهش می‌دهند؟

Key concepts

• ریبوزوم 70S باکتریایی در مقابل ریبوزوم 80S یوکاریوتی
• RNA ریبوزومی به عنوان هدف اصلی دارو
• جایگاه رمزگشایی (A) 30S
• مرکز پپتیدیل ترانسفراز 50S
• تونل خروجی پپتید تازه سنتز شده
• سمیت انتخابی و محدودیت‌های آن
• جهش جایگاه هدف و متیلاسیون rRNA

Mechanisms

ریبوزوم باکتریایی یک ماشین ریبونوکلئوپروتئینی دو زیرواحدی است: زیرواحد کوچک (30S) RNA پیام‌رسان را در جایگاه A رمزگشایی می‌کند، و زیرواحد بزرگ (50S) تشکیل پیوند پپتیدی را در مرکز پپتیدیل ترانسفراز کاتالیز می‌کند و پروتئین جدید را از طریق یک تونل خروجی هدایت می‌کند. بیشتر آنتی‌بیوتیک‌های هدف‌گیرنده ریبوزوم، به جای پروتئین ریبوزومی، به RNA ریبوزومی در یکی از این جایگاه‌های عملکردی متصل می‌شوند. آزمایش‌های فوت‌پرینتینگ ابتدا تماس‌های آنتی‌بیوتیک را بر روی مناطق حفاظت‌شده 16S rRNA نقشه‌برداری کردند، و تعیین ساختارهای با وضوح اتمی زیرواحدهای 30S و 50S، از جمله کمپلکس‌های حاوی آنتی‌بیوتیک‌های متصل، سپس به طور مستقیم نشان داد که چگونه هر دسته قرار می‌گیرد و چگونه رمزگشایی، کاتالیز، یا خروج پپتید را مختل می‌کند. گزینش‌پذیری به این دلیل ایجاد می‌شود که جایگاه‌های متناظر در ریبوزوم سیتوپلاسمی یوکاریوتی در توالی و شکل متفاوت هستند، بنابراین داروها هدف باکتریایی را با میل ترکیبی بسیار بیشتری متصل می‌کنند؛ این گزینش‌پذیری نسبی است، و در جایی که ریبوزوم‌های میتوکندریایی میزبان شبیه هدف باکتریایی هستند، ممکن است ناقص باشد و به برخی سمیت‌ها کمک کند. مقاومت اغلب با تغییر همان نوکلئوتیدهایی که جایگاه اتصال را تشکیل می‌دهند، از طریق جهش نقطه‌ای یا متیلاسیون آنزیمی، به طور همزمان اتصال دارو را تضعیف می‌کند.

Clinical relevance

درک اتصال ریبوزومی و گزینش‌پذیری، دسته‌های آنتی‌بیوتیک را به هم پیوند می‌دهد: توضیح می‌دهد که چرا داروهایی که یک منطقه اتصال مشترک دارند، مقاومت متقاطع نشان می‌دهند، چرا گزینش‌پذیری هرگز مطلق نیست، و چرا همان ویژگی‌های ساختاری که امکان درمان را فراهم می‌کنند، محدودیت‌هایی را نیز بر آن اعمال می‌کنند. این مدخل مبنای ساختاری و مکانیکی را برای مرجع و آموزش ارائه می‌دهد و راهنمایی درمانی یا دوزینگ ارائه نمی‌دهد.

Evidence & guidelines

تعیین جایگاه‌های اتصال بر اساس فوت‌پرینتینگ بیوشیمیایی برهم‌کنش‌های آنتی‌بیوتیک-rRNA و بر اساس ساختارهای بلوری با وضوح اتمی زیرواحدهای 30S و 50S باکتریایی و کمپلکس‌های آنتی‌بیوتیکی آنها استوار است، کاری که مبنای ساختاری برای تفسیر نحوه عملکرد کل این گروه دارویی شد.

History

در طول دهه‌های 1980 و 1990، جایگاه‌های اتصال آنتی‌بیوتیک‌های ریبوزومی از طریق ژنتیک و فوت‌پرینتینگ شیمیایی بر روی RNA ریبوزومی استنباط شد، که بسیاری از داروها را در مناطق عملکردی حفاظت‌شده محلی‌سازی کرد. پیشرفت بزرگ در حدود سال 2000 با ساختارهای بلوری با وضوح بالا از زیرواحدهای 30S و 50S، و سپس از زیرواحدهای متصل به آنتی‌بیوتیک‌ها، حاصل شد که جایگاه‌های اتصال و ارتباط آنها با عملکرد ریبوزومی را به طور مستقیم قابل مشاهده ساخت. این کار ساختاری، که با جایزه نوبل شیمی در سال 2009 مورد تقدیر قرار گرفت، کل این دسته را حول اهداف مولکولی دقیق بازتعریف کرد.

Key figures

• Harry F. Noller
• Venkatraman Ramakrishnan
• Thomas A. Steitz
• Ada E. Yonath

Seminal works

• moazed-noller-1987
• ban-2000
• wimberly-2000
• carter-2000
• schlunzen-2001

Frequently asked questions

چرا بیشتر آنتی‌بیوتیک‌های هدف‌گیرنده ریبوزوم به RNA متصل می‌شوند تا به پروتئین‌های ریبوزومی؟

قلب عملکردی ریبوزوم، از جمله جایگاه رمزگشایی و مرکز پپتیدیل ترانسفراز، از RNA ریبوزومی ساخته شده است، بنابراین داروهایی که با این فعالیت‌ها تداخل می‌کنند به عناصر RNA حفاظت‌شده متصل می‌شوند؛ این همچنین توضیح می‌دهد که چرا بسیاری از مکانیسم‌های مقاومت با جهش یا تغییر RNA ریبوزومی عمل می‌کنند.

اگر این داروها ریبوزوم را هدف قرار می‌دهند، چرا به سنتز پروتئین انسانی آسیب نمی‌رسانند؟

ریبوزوم سیتوپلاسمی انسانی در توالی و شکل در جایگاه‌های مربوطه متفاوت است، بنابراین داروها به ریبوزوم باکتریایی بسیار قوی‌تر متصل می‌شوند. گزینش‌پذیری نسبی است تا مطلق، و از آنجا که ریبوزوم‌های میتوکندریایی انسانی شبیه ریبوزوم‌های باکتریایی هستند، به توضیح برخی سمیت‌های مشخص کمک می‌کند.