Liên kết Ribosome và Tính chọn lọc của vi khuẩn

Chủ đề này đề cập đến nguyên tắc thống nhất đằng sau các loại kháng sinh ức chế tổng hợp protein: vị trí trên ribosome của vi khuẩn mà mỗi nhóm kháng sinh liên kết và tại sao những vị trí đó cho phép thuốc ức chế quá trình dịch mã của vi khuẩn trong khi phần lớn không ảnh hưởng đến vật chủ. Sự khác biệt về cấu trúc giữa ribosome 70S của vi khuẩn và ribosome tế bào chất của sinh vật nhân chuẩn là yếu tố giúp ức chế chọn lọc có thể thực hiện được.

Definition

Liên kết ribosome và tính chọn lọc của vi khuẩn đề cập đến cơ sở cấu trúc và chức năng mà theo đó kháng sinh nhận diện các vị trí xác định trên ribosome của vi khuẩn và ức chế quá trình dịch mã, cũng như sự khác biệt giữa ribosome của vi khuẩn và vật chủ cho phép các loại thuốc này tác động chọn lọc lên mầm bệnh.

Scope

Mục này bao gồm kiến trúc của ribosome vi khuẩn, các vị trí liên kết chức năng chính bị kháng sinh khai thác (vị trí giải mã của tiểu đơn vị 30S và trung tâm peptidyl transferase cùng đường hầm thoát của tiểu đơn vị 50S), cơ sở cấu trúc của độc tính chọn lọc, và cách các thay đổi tại vị trí đích làm suy yếu cả liên kết và tính chọn lọc. Đây là một tổng hợp mang tính tham khảo-giáo dục, không phải là hướng dẫn kê đơn.

Core questions

• Các vị trí chức năng chính trên ribosome của vi khuẩn mà kháng sinh nhắm mục tiêu là gì?
• Tại sao các loại thuốc này có thể ức chế quá trình dịch mã của vi khuẩn mà không ức chế tương tự quá trình tổng hợp protein của vật chủ?
• Các cấu trúc tinh thể của ribosome đã tinh chỉnh sự hiểu biết của chúng ta về liên kết kháng sinh như thế nào?
• Làm thế nào các đột biến tại vị trí đích và các biến đổi rRNA làm suy yếu liên kết và giảm tính chọn lọc?

Key concepts

• Ribosome 70S của vi khuẩn so với ribosome 80S của sinh vật nhân chuẩn
• RNA ribosome là mục tiêu thuốc chính
• Vị trí giải mã (A) của 30S
• Trung tâm peptidyl transferase của 50S
• Đường hầm thoát peptide mới sinh
• Độc tính chọn lọc và giới hạn của nó
• Đột biến tại vị trí đích và methyl hóa rRNA

Mechanisms

Ribosome của vi khuẩn là một cỗ máy ribonucleoprotein gồm hai tiểu đơn vị: tiểu đơn vị nhỏ (30S) giải mã RNA thông tin tại vị trí A, và tiểu đơn vị lớn (50S) xúc tác hình thành liên kết peptide tại trung tâm peptidyl transferase và dẫn protein mới qua đường hầm thoát. Hầu hết các kháng sinh nhắm mục tiêu vào ribosome liên kết với RNA ribosome hơn là protein ribosome, tại một trong các vị trí chức năng này. Các thí nghiệm dấu vết (footprinting) lần đầu tiên đã lập bản đồ các điểm tiếp xúc của kháng sinh lên các vùng bảo tồn của 16S rRNA, và việc xác định cấu trúc độ phân giải nguyên tử của các tiểu đơn vị 30S và 50S, bao gồm các phức hợp với kháng sinh đã liên kết, sau đó đã trực tiếp cho thấy cách mỗi nhóm được định vị và cách nó làm xáo trộn quá trình giải mã, xúc tác hoặc thoát peptide. Tính chọn lọc phát sinh vì các vị trí tương ứng trên ribosome tế bào chất của sinh vật nhân chuẩn khác nhau về trình tự và hình dạng, do đó thuốc liên kết với mục tiêu vi khuẩn mạnh hơn nhiều; tính chọn lọc này mang tính tương đối, và ở những nơi ribosome ty thể của vật chủ giống với mục tiêu vi khuẩn, nó có thể không hoàn toàn, góp phần gây ra một số độc tính. Kháng thuốc thường hoạt động bằng cách thay đổi chính các nucleotide tạo thành vị trí liên kết, thông qua đột biến điểm hoặc methyl hóa enzyme, đồng thời làm suy yếu liên kết thuốc.

Clinical relevance

Hiểu biết về liên kết ribosome và tính chọn lọc gắn kết các nhóm kháng sinh lại với nhau: nó giải thích tại sao các loại thuốc có chung vùng liên kết lại có kháng chéo, tại sao tính chọn lọc không bao giờ là tuyệt đối, và tại sao các đặc điểm cấu trúc tương tự cho phép điều trị cũng đặt ra giới hạn cho nó. Mục này trình bày cơ sở cấu trúc và cơ chế để tham khảo và giáo dục và không đưa ra hướng dẫn điều trị hoặc liều lượng.

Evidence & guidelines

Các phân công vị trí liên kết dựa trên dấu vết sinh hóa của tương tác kháng sinh-rRNA và trên các cấu trúc tinh thể độ phân giải nguyên tử của các tiểu đơn vị 30S và 50S của vi khuẩn và các phức hợp kháng sinh của chúng, công trình đã trở thành nền tảng cấu trúc để giải thích cách toàn bộ nhóm thuốc này hoạt động.

History

Trong suốt những năm 1980 và 1990, các vị trí liên kết của kháng sinh ribosome được suy ra từ di truyền học và từ dấu vết hóa học trên RNA ribosome, đã định vị nhiều loại thuốc vào các vùng chức năng được bảo tồn. Bước đột phá đến vào khoảng năm 2000 với các cấu trúc tinh thể độ phân giải cao của các tiểu đơn vị 30S và 50S, và sau đó là các tiểu đơn vị liên kết với kháng sinh, đã làm cho các vị trí liên kết và mối quan hệ của chúng với chức năng ribosome trở nên trực tiếp có thể nhìn thấy. Công trình cấu trúc này, được vinh danh bằng Giải Nobel Hóa học năm 2009, đã định hình lại toàn bộ nhóm thuốc xung quanh các mục tiêu phân tử chính xác.

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

Tại sao hầu hết các kháng sinh nhắm mục tiêu vào ribosome lại liên kết với RNA hơn là các protein ribosome?

Phần trung tâm chức năng của ribosome, bao gồm vị trí giải mã và trung tâm peptidyl transferase, được cấu tạo từ RNA ribosome, do đó các loại thuốc can thiệp vào các hoạt động này liên kết với các yếu tố RNA được bảo tồn; điều này cũng giải thích tại sao rất nhiều cơ chế kháng thuốc hoạt động bằng cách đột biến hoặc biến đổi RNA ribosome.

Nếu các loại thuốc này nhắm mục tiêu vào ribosome, tại sao chúng không gây hại cho quá trình tổng hợp protein của con người?

Ribosome tế bào chất của con người khác nhau về trình tự và hình dạng tại các vị trí liên quan, do đó thuốc liên kết với ribosome của vi khuẩn mạnh hơn nhiều. Tính chọn lọc mang tính tương đối chứ không phải tuyệt đối, và vì ribosome ty thể của con người giống với ribosome của vi khuẩn, điều này giúp giải thích một số độc tính đặc trưng.