การจับของไรโบโซมและการเลือกจำเพาะของแบคทีเรีย

หัวข้อนี้กล่าวถึงหลักการที่เป็นหนึ่งเดียวเบื้องหลังยาปฏิชีวนะกลุ่มยับยั้งการสังเคราะห์โปรตีน: ตำแหน่งบนไรโบโซมของแบคทีเรียที่ยาแต่ละชนิดจับ และเหตุผลที่ตำแหน่งเหล่านั้นทำให้ยาสามารถยับยั้งการแปลรหัสของแบคทีเรียได้ ในขณะที่ยังคงรักษาสภาพของโฮสต์ไว้ได้เป็นส่วนใหญ่ ความแตกต่างทางโครงสร้างระหว่างไรโบโซม 70S ของแบคทีเรียกับไรโบโซมในไซโตพลาสซึมของยูคาริโอตคือสิ่งที่ทำให้การยับยั้งแบบเลือกจำเพาะเป็นไปได้

Definition

การจับของไรโบโซมและการเลือกจำเพาะของแบคทีเรีย หมายถึงพื้นฐานทางโครงสร้างและการทำงานที่ยาปฏิชีวนะจดจำตำแหน่งที่กำหนดบนไรโบโซมของแบคทีเรียและยับยั้งการแปลรหัส และความแตกต่างระหว่างไรโบโซมของแบคทีเรียกับไรโบโซมของโฮสต์ที่ทำให้ยาเหล่านี้ออกฤทธิ์เลือกจำเพาะต่อเชื้อโรคได้

Scope

เนื้อหานี้ครอบคลุมถึงสถาปัตยกรรมของไรโบโซมของแบคทีเรีย, ตำแหน่งการจับที่สำคัญที่ยาปฏิชีวนะใช้ประโยชน์ (ตำแหน่งการถอดรหัสของหน่วยย่อย 30S และศูนย์กลางการถ่ายโอนเพปทิดิลและอุโมงค์ทางออกของหน่วยย่อย 50S), พื้นฐานทางโครงสร้างของความเป็นพิษแบบเลือกจำเพาะ, และวิธีที่การเปลี่ยนแปลงตำแหน่งเป้าหมายลดทอนทั้งการจับและการเลือกจำเพาะ นี่คือการสังเคราะห์ข้อมูลอ้างอิงเพื่อการศึกษา ไม่ใช่คำแนะนำในการสั่งยา

Core questions

• ตำแหน่งการทำงานหลักบนไรโบโซมของแบคทีเรียที่ยาปฏิชีวนะมุ่งเป้าคืออะไร?
• เหตุใดยาเหล่านี้จึงสามารถยับยั้งการแปลรหัสของแบคทีเรียได้โดยไม่ยับยั้งการแปลรหัสของโฮสต์ในระดับเดียวกัน?
• โครงสร้างผลึกของไรโบโซมช่วยปรับปรุงความเข้าใจของเราเกี่ยวกับการจับของยาปฏิชีวนะได้อย่างไร?
• การกลายพันธุ์ของตำแหน่งเป้าหมายและการดัดแปลง rRNA ขัดขวางการจับและลดการเลือกจำเพาะได้อย่างไร?

Key concepts

• ไรโบโซม 70S ของแบคทีเรียเทียบกับไรโบโซม 80S ของยูคาริโอต
• Ribosomal RNA เป็นเป้าหมายหลักของยา
• ตำแหน่งการถอดรหัส (A) ของ 30S
• ศูนย์กลางการถ่ายโอนเพปทิดิลของ 50S
• อุโมงค์ทางออกของเพปไทด์ที่กำลังสร้าง
• ความเป็นพิษแบบเลือกจำเพาะและข้อจำกัด
• การกลายพันธุ์ของตำแหน่งเป้าหมายและการเมทิลเลชันของ rRNA

Mechanisms

ไรโบโซมของแบคทีเรียเป็นเครื่องจักรไรโบนิวคลีโอโปรตีนที่มีสองหน่วยย่อย: หน่วยย่อยขนาดเล็ก (30S) ถอดรหัส messenger RNA ที่ตำแหน่ง A และหน่วยย่อยขนาดใหญ่ (50S) เร่งปฏิกิริยาการสร้างพันธะเพปไทด์ที่ศูนย์กลางการถ่ายโอนเพปทิดิลและนำโปรตีนใหม่ผ่านอุโมงค์ทางออก ยาปฏิชีวนะส่วนใหญ่ที่มุ่งเป้าไปที่ไรโบโซมจะจับกับ ribosomal RNA มากกว่า ribosomal protein ที่ตำแหน่งการทำงานเหล่านี้ การทดลอง footprinting ได้ทำแผนที่การสัมผัสของยาปฏิชีวนะไปยังบริเวณที่อนุรักษ์ไว้ของ 16S rRNA เป็นครั้งแรก และการกำหนดโครงสร้างความละเอียดระดับอะตอมของหน่วยย่อย 30S และ 50S รวมถึงสารเชิงซ้อนที่จับกับยาปฏิชีวนะ ได้แสดงให้เห็นโดยตรงว่ายาแต่ละชนิดจัดตำแหน่งอย่างไรและรบกวนการถอดรหัส การเร่งปฏิกิริยา หรือการหลุดออกของเพปไทด์อย่างไร การเลือกจำเพาะเกิดขึ้นเนื่องจากตำแหน่งที่สอดคล้องกันบนไรโบโซมในไซโตพลาสซึมของยูคาริโอตมีความแตกต่างกันในลำดับและรูปร่าง ดังนั้นยาจึงจับกับเป้าหมายของแบคทีเรียได้ดีกว่ามาก การเลือกจำเพาะนี้เป็นแบบสัมพัทธ์ และในกรณีที่ไรโบโซมไมโทคอนเดรียของโฮสต์คล้ายกับเป้าหมายของแบคทีเรีย การเลือกจำเพาะอาจไม่สมบูรณ์ ซึ่งมีส่วนทำให้เกิดความเป็นพิษบางอย่าง การดื้อยามักจะเกิดขึ้นโดยการเปลี่ยนแปลงนิวคลีโอไทด์ที่ประกอบเป็นตำแหน่งการจับ ผ่านการกลายพันธุ์แบบจุดหรือการเมทิลเลชันด้วยเอนไซม์ ซึ่งจะทำให้การจับของยาลดลงพร้อมกัน

Clinical relevance

ความเข้าใจเกี่ยวกับการจับของไรโบโซมและการเลือกจำเพาะเชื่อมโยงยาปฏิชีวนะหลายชนิดเข้าด้วยกัน: อธิบายว่าทำไมยาที่ใช้บริเวณการจับร่วมกันจึงแสดงการดื้อยาข้ามชนิด ทำไมการเลือกจำเพาะจึงไม่สมบูรณ์ และทำไมคุณสมบัติทางโครงสร้างเดียวกันที่ช่วยในการรักษาจึงเป็นข้อจำกัดในการรักษาด้วยเช่นกัน เนื้อหานี้เสนอพื้นฐานทางโครงสร้างและกลไกสำหรับการอ้างอิงและการศึกษา และไม่ได้ให้คำแนะนำในการรักษาหรือการให้ยา

Evidence & guidelines

การกำหนดตำแหน่งการจับขึ้นอยู่กับการทำ footprinting ทางชีวเคมีของปฏิกิริยาระหว่างยาปฏิชีวนะกับ rRNA และโครงสร้างผลึกความละเอียดระดับอะตอมของหน่วยย่อย 30S และ 50S ของแบคทีเรีย และสารเชิงซ้อนของยากับหน่วยย่อย ซึ่งเป็นงานที่กลายเป็นรากฐานทางโครงสร้างสำหรับการตีความว่ายากลุ่มนี้ออกฤทธิ์อย่างไร

History

ตลอดช่วงทศวรรษ 1980 และ 1990 ตำแหน่งการจับของยาปฏิชีวนะที่ออกฤทธิ์ต่อไรโบโซมได้มาจากการอนุมานทางพันธุกรรมและการทำ footprinting ทางเคมีบน ribosomal RNA ซึ่งระบุตำแหน่งยาหลายชนิดในบริเวณการทำงานที่อนุรักษ์ไว้ ความก้าวหน้าครั้งสำคัญเกิดขึ้นประมาณปี 2000 ด้วยโครงสร้างผลึกความละเอียดสูงของหน่วยย่อย 30S และ 50S และต่อมาคือหน่วยย่อยที่จับกับยาปฏิชีวนะ ซึ่งทำให้ตำแหน่งการจับและความสัมพันธ์กับการทำงานของไรโบโซมมองเห็นได้โดยตรง งานโครงสร้างนี้ ซึ่งได้รับเกียรติจากรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี 2009 ได้ปรับกรอบยาปฏิชีวนะทั้งกลุ่มให้เป็นเป้าหมายระดับโมเลกุลที่แม่นยำ

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

เหตุใดยาปฏิชีวนะส่วนใหญ่ที่มุ่งเป้าไปที่ไรโบโซมจึงจับกับ RNA มากกว่าโปรตีนไรโบโซม?

หัวใจสำคัญของการทำงานของไรโบโซม รวมถึงตำแหน่งการถอดรหัสและศูนย์กลางการถ่ายโอนเพปทิดิล สร้างขึ้นจาก ribosomal RNA ดังนั้นยาที่รบกวนกิจกรรมเหล่านี้จึงจับกับองค์ประกอบ RNA ที่อนุรักษ์ไว้ ซึ่งอธิบายได้ว่าทำไมกลไกการดื้อยาจำนวนมากจึงออกฤทธิ์โดยการกลายพันธุ์หรือดัดแปลง ribosomal RNA

หากยาเหล่านี้มุ่งเป้าไปที่ไรโบโซม เหตุใดจึงไม่เป็นอันตรายต่อการสังเคราะห์โปรตีนของมนุษย์?

ไรโบโซมในไซโตพลาสซึมของมนุษย์มีความแตกต่างกันในลำดับและรูปร่างที่ตำแหน่งที่เกี่ยวข้อง ดังนั้นยาจึงจับกับไรโบโซมของแบคทีเรียได้แข็งแรงกว่ามาก การเลือกจำเพาะเป็นแบบสัมพัทธ์มากกว่าแบบสมบูรณ์ และเนื่องจากไรโบโซมไมโทคอนเดรียของมนุษย์คล้ายกับไรโบโซมของแบคทีเรีย จึงช่วยอธิบายความเป็นพิษบางอย่างที่เกิดขึ้นได้