Связывание с рибосомами и бактериальная селективность

Эта тема посвящена объединяющему принципу действия антибиотиков — ингибиторов синтеза белка: где на бактериальной рибосоме связывается каждый класс и почему эти участки позволяют препаратам подавлять трансляцию у бактерий, в значительной степени щадя при этом хозяина. Структурные различия между бактериальной рибосомой 70S и эукариотической цитоплазматической рибосомой делают возможным избирательное ингибирование.

Definition

Связывание с рибосомами и бактериальная селективность относится к структурной и функциональной основе, посредством которой антибиотики распознают определенные участки на бактериальной рибосоме и ингибируют трансляцию, а также к различиям между бактериальными рибосомами и рибосомами хозяина, которые позволяют этим препаратам избирательно действовать на патоген.

Scope

Статья охватывает архитектуру бактериальной рибосомы, основные функциональные участки связывания, используемые антибиотиками (декодирующий сайт 30S субъединицы, пептидилтрансферазный центр и туннель выхода 50S субъединицы), структурную основу избирательной токсичности и то, как изменения в сайтах-мишенях снижают как связывание, так и селективность. Это справочно-образовательный синтез, а не руководство по назначению.

Core questions

• Каковы основные функциональные участки на бактериальной рибосоме, на которые нацелены антибиотики?
• Почему эти препараты могут ингибировать бактериальную трансляцию, не ингибируя в равной степени трансляцию хозяина?
• Как кристаллические структуры рибосомы уточнили наше понимание связывания антибиотиков?
• Как мутации в сайтах-мишенях и модификации рРНК препятствуют связыванию и снижают селективность?

Key concepts

• Бактериальная рибосома 70S против эукариотической рибосомы 80S
• Рибосомальная РНК как основная мишень для лекарств
• 30S декодирующий (А) сайт
• 50S пептидилтрансферазный центр
• Туннель выхода нативного пептида
• Избирательная токсичность и ее пределы
• Мутация в сайте-мишени и метилирование рРНК

Mechanisms

Бактериальная рибосома представляет собой рибонуклеопротеидную машину, состоящую из двух субъединиц: малая (30S) субъединица декодирует матричную РНК в А-сайте, а большая (50S) субъединица катализирует образование пептидной связи в пептидилтрансферазном центре и направляет новый белок через туннель выхода. Большинство антибиотиков, нацеленных на рибосомы, связываются с рибосомальной РНК, а не с рибосомальным белком, в одном из этих функциональных участков. Эксперименты по футпринтингу впервые картировали контакты антибиотиков с консервативными областями 16S рРНК, а определение атомно-разрешающих структур 30S и 50S субъединиц, включая комплексы со связанными антибиотиками, затем непосредственно показало, как каждый класс позиционируется и как он нарушает декодирование, катализ или выход пептида. Селективность возникает потому, что соответствующие участки на эукариотической цитоплазматической рибосоме различаются по последовательности и форме, поэтому препараты связываются с бактериальной мишенью гораздо более активно; эта селективность является относительной, и там, где митохондриальные рибосомы хозяина напоминают бактериальную мишень, она может быть неполной, что способствует определенным токсическим эффектам. Резистентность часто возникает путем изменения тех самых нуклеотидов, которые образуют сайт связывания, посредством точечной мутации или ферментативного метилирования, одновременно ослабляя связывание препарата.

Clinical relevance

Понимание связывания с рибосомами и селективности объединяет классы антибиотиков: оно объясняет, почему препараты, имеющие общую область связывания, проявляют перекрестную резистентность, почему селективность никогда не бывает абсолютной и почему те же структурные особенности, которые позволяют проводить терапию, также устанавливают ее пределы. Эта статья представляет структурную и механистическую основу для справки и образования и не содержит рекомендаций по лечению или дозированию.

Evidence & guidelines

Присвоение сайтов связывания основано на биохимическом футпринтинге взаимодействий антибиотик-рРНК и на атомно-разрешающих кристаллических структурах бактериальных 30S и 50S субъединиц и их антибиотических комплексов — работе, которая стала структурной основой для интерпретации того, как действует вся эта группа препаратов.

History

В 1980-х и 1990-х годах сайты связывания рибосомальных антибиотиков выводились из генетических данных и химического футпринтинга рибосомальной РНК, что локализовало многие препараты в консервативных функциональных областях. Прорыв произошел около 2000 года с появлением высокоразрешающих кристаллических структур 30S и 50S субъединиц, а затем субъединиц, связанных с антибиотиками, что сделало сайты связывания и их связь с функцией рибосом непосредственно видимыми. Эта структурная работа, отмеченная Нобелевской премией по химии 2009 года, переосмыслила весь класс вокруг точных молекулярных мишеней.

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

Почему большинство антибиотиков, нацеленных на рибосомы, связываются с РНК, а не с рибосомальными белками?

Функциональное ядро рибосомы, включая декодирующий сайт и пептидилтрансферазный центр, построено из рибосомальной РНК, поэтому препараты, которые нарушают эти активности, связываются с консервативными элементами РНК; это также объясняет, почему так много механизмов резистентности действуют путем мутации или модификации рибосомальной РНК.

Если эти препараты нацелены на рибосомы, почему они не вредят синтезу белка у человека?

Человеческая цитоплазматическая рибосома отличается по последовательности и форме в соответствующих участках, поэтому препараты связываются с бактериальной рибосомой гораздо сильнее. Селективность является относительной, а не абсолютной, и поскольку митохондриальные рибосомы человека напоминают бактериальные, это помогает объяснить некоторые характерные токсические эффекты.