Antibiotics acting on the translational machinery 116, 1391-1393 (2003) | |
 (Рис.1) | Responsibility for the various steps of polypeptide synthesis is divided among the two ribosomal subunits (30S and 50S). |
YНесмотря а появление бактериальных линий, резистентных к клиническим антибиотикам, включая vancomycin (`last resort'), разработка новых антимикробных агентов замедлилась. Некоторые классы антибиотиков нацелены на рибосомы и рибосомальные факторы, а недавние исследования рибосом (Ban et al., 2000; Harms et al., 2001; Nissen et al., 2000; Schlunzen et al., 2000; Wimberly et al., 2000; Yusupov et al., 2001) и комплексов рибосом с ингибиторами (Brodersen et al., 2000; Pioletti et al., 2001; Schlunzen et al., 2001; Hansen et al., 2002; Bashan et al., 2003; Schlunzen et al., 2003) выявили механизмы, лежаие в основе их ингибирующей активности (Рис. 1). Initiation Синтез прокариотических белков начинается с формирования комплекса инициации, представленного мРНК, initiator tRNA (fMet-tRNAfMet), тремя initiation factors (IFs) и субъединицей 30S. Связывание IF3 предупреждает ассоциацию двух рибосомальных субъединиц, выясняет кодон-антикодон комплементрарность и, по-видимому, регулирует позиционирование мРНК. IF1 блокирует acceptor site (A-site), чтобы предупреждать преждевременное связывание A-site tRNA. После связываания fMet-tRNAfMet IF3 высвобождается; это запускает гидролиз IF2-связанного GTP, и IF2 и IF1 высвобождаются (точная последовательность событий неизвестна). Субъединица 50S затем соединяется с 30S инициационным комплексом, формируя 70S рибосомы.
Edeine и pactamycin являются универсальными антибиотиками, которые влияют на биосинтез белка во всех организмах. Оба препятствуют формированию иниационного комплекса в результате устранения мРНК (Brodersen et al., 2000; Pioletti et al., 2001). Edeine влияет также на позиционирование peptidyl site (P-site) tRNA и функцию IF3. Evernimicin взаимодействует с кончиками 23S рРНК спиралей 89 и 91, которые связывают IF2, и м. предупреждать образование 70S инициационного комплекса (Belova et al., 2001). Decoding and A-site occupation
Субъединица 30S обладает механизмом различать cognate от non-cognate aminoacyl tRNAs (aa-tRNAs), это гарантирует, что правильная аминокислота будет высвобождена с помощью elongation factor Tu (EF-Tu). Антикодон aa-tRNA в четвертичном комплексе взаимодействует с мРНК кодоном, но acceptor stem tRNA ассоциирован с EF-Tu–GTP и таким образом не м. вступать в каталитический центр субъединицы 50S. EF-Tu высвобождается только после гидролиза GTP; acceptor stem м. затем помещаться в A-site.
Многие антибиотики нацелены на эту ступень цикла элонгации. Tetracycline, первый антибиотик широко спектра, соединяется со множественными сайтами рибосом (Brodersen et al., 2000; Pioletti et al., 2001). Соединение с A-site в субъединице 30S стерически препятствует движению aa-tRNA, так что она не м. одновременно взаимодействовать с декодирующим сайтом в субъединице 30S и с peptidyl transferase центром в субъединице 50S. Остальные сайты м затрагивать сборку рибосомных частиц, но являются, по-видимому, нечувствительными к любой ингибирующей активности, т.к. одиночные мутации в первичном сайте связывания вызывают резистентность к тетрациклину.
Aminoglycosides связывают непосредственно соседние последовательности рядом с декодирующим сайтом субъединицы 30S, делая трансляцию очень неаккуратной. Paromomycin, напр., индуцирует конформационные изменения, которые усиливают сродство A-site к near-cognate tRNAs. Hygromycin B и neomycin действуют путём примораживания (freezing) tRNA в A-site (Brodersen et al., 2000). Streptomycin стабилизирует т.наз. ram состояние субъединицы 30S, в котором его сродство с non-cognate tRNAs увеличивается (Carter et al., 2000).
Три антибиотика препятствуют позиционированию A-site tRNA в результате действия на EF-Tu: pulvomycin, по-видимому, редуцируетактивность GTPase у EF-Tu и ингибирует её связывание с tRNA; GE2270A блокирует tRNA-binding сайт на EF-Tu; a kirromycin предупреждает высвобождение EF-Tu, останавливая тем самым рибосомы (Hogg et al., 2002).
Некоторые антимикробные агенты ингибируют декодирование или оккупацию A-site в результате взаимодействия с субъединицей 50S. Sparsomycin, напр., соединяется со стержнем peptidyl transferase centre (PTC) за счёт stacking с наиболее флексибельным нуклеотидом, это индуцирует существенные конформационные изменения (Bashan et al., 2003) и влияет на правльное позиционирование и A-site и P-site tRNAs (Hansen et al., 2002). Linezolid, на oxazolidinone, увеличивает frameshifting и пропускает считывание (readthrough) стоп-кодона с нонсенс супрессией. Он, по-видимому, присоединяется вблизи PTC на сторонах между рибосомальными субъединицами, влияя тем самым на инициацию и элонгацию, но м. также влиять и правильность декодирования. Peptide bond formation Во время цикла элонгации каждая tRNA проходит через 3 рибосомальных сайтов связывания (A-site→P-site→E-site), создавая два конформационных состояния. В пре-трансляционном состоянии две tRNAs соединяются с A-site и P-site. В пост-трансляционном состоянии, заняты P-site и E-site. Правильное позиционирование aa-tRNA стимулирует их CCA конец к переброске в направлении 3' конца P-site tRNA совместно с образованием пептидных связей. Эта реакция, как полагают, индуцирует транслокацию деацетилированного P-site tRNA на E-site (Bashan et al., 2003).
Разные организмы продуцируют антимикробные соединения, которые направлены на образование пептидных связей. Они эффективны против большинства competing организмов благодаря высокой филогенетической консервации PTC; однако originator также подвергается атаке своих лекарств и д. следовательно, развивать механизмы резистентности, которые иногда дороги. Лекарства, ингибирующие образование пептидных связей, действуют тремя различными способами: (1) путём мимикрирования субстрата; (2) блокированием пути роста полипептидной цепи; или (3) изменяя положение tRNA на рибосоме.
Puromycin является универсальным антибиотиком и инструментом для изучения механизма образования пептидных связей. Мимикрируя aminoacylated конец aa-tRNA, он участвует в формировании пептидной связи, но его неспособная к гидролизу amide связь не м.б. расщеплена и peptidylpuromycin не способен покинуть рибосому (Nissen et al., 2000; Bashan et al., 2003). Chloramphenicol, используется редко из-за его существенных побочных эффектов, он действует на тот же самый сайт в PTC. Он занимает позицию аминокислоты, присоединённой к A-site tRNA, предупреждая образование пептидной связи (Schlunzen et al., 2001).
Lincosamides (clindamycin и lincomycin) взаимодействуют с A-site и P-site на субъединице 50St, препятствуя позиционированию молекул tRNA и непосредственно ингибируя образование пептидной связи. Macrolides (напр., erythromycin) соединяется с выходом из рибосомального тунеля (Schlunzen et al., 2001), блокирует прохождение синтезируемой цепи через рибосому. Это место находится на некотором расстоянии от PTC; т.о., полипептидная цепочка из 3-5 остатков м.б. сформирована, прежде чем биосинтез белка будет остановлен. Полусинтетические производные erythromycin, такие как carbomycin A или josamycin имеют длинное, mycarose-isobutyrate расширение из desosamine сахара (критическая функциональная группа macrolides), которое вставляется в PTC. Эти соединения т. обр. влияют на правильное позиционирование P-site субстрата и непосредственно влияют на образование пептидной связи (Hansen et al., 2002). Azithromycin, новое производное erythromycin соединяется с двумя сайтами D. radiodurans 50S субъединицы (Schlunzen et al., 2003). Две молекулы azithromycin находятся в непосредственном контакте; так что в этом случае возможно, что кооперативный эффект м. усиливать его антимикробную активность. Streptogramins также обладет двойным ингибирующим механизмом, он происходит из двух неродственных соединений: streptogramins A и streptogramins B. Они усиливают активность др. др. возможно благодаря прямому взаимодействию. Streptogramins A дестабилизирует связывание tRNAs с A-site с P-site; streptogramins B преимущественно занимает туннель для синтезируемой пептидной цепи – также как м macrolides. Macrolides, lincosamides и streptogramins B способны ингибировать MLSB-резистентные линии, имеющие одиночную модификацию в рРНК из PTC, это указывает на перекрывание сайтов связывания у этих антибиотиков.
Механизм, препятствующий антимикробной активности др. групп соединений, pleuromutilins (e.g. tiamulin or valnemulin), неясен. Т.к. они конкурируют с carbomycin, но не с erythromycin, то они м. предупреждать правильное позиционирование CCA концов tRNAs при переносе пептида. Translocation and tRNA-release GTP-связанный фактор элонгации EF-G соединяется с A-site субъединицы 50S. Облегченный с помощью гидролиза GTP, он форсирует антикодоновую stem петлю из A-site и P-site tRNAs, чтобы переместиться на P-site и E-site на единице 30S совместно с транслокацией мРНК. EF-G-GDP затем высвобождается из рибьосомы и процесс элонгации продолжается с высвобождением deacylated E-site tRNA и декодированием следующей aa-tRNA. Антибиотик fusidic acid оставляет EFG-GDP комплекс на рибосоме. Thiostrepton и micrococcin также влияют на EF-G, но благодаря соединению с GTPase-associated областями субъединицы 50S. Thiostrepton, по-видимому, индуцирует определенную конформацию рибосомального белка L11, это существенно редуцирует GTPase активность ассоцированного EF-G или EF-Tu. Он также влияет на IF2, но в этом случае он усиливает GTPase активность. Точный механизм действия этих антибиотиков неизвестен.
Viomycin действует на несколько более ранней стадии: он, по-видимому. препятствует транслокации, так что A-site остаётся блокированным. Viomycin имеет и некоторые доболнительные эффекты, такие как индукция misreading, ингибирование peptidyl transferase реакции и ингибирование диссоциации субъединиц во время терминации. Подобно многим др. он, по-видимому, соединяется со сторонами между субъединицами, изменяя тем самым позиционирование A-site и P-site tRNAs, возможно влияя на сродство 50S субъединицы к ним. Spectinomycin, др. aminoglycoside антибиотик является довольно ригидной молекулой. Он соединяется с головной областью субъединицы 30S, которая подвергается конформационным изменениям во время элонгации. Spectinomycin предупреждает этот переход, ингибируя EF-G-катализируемую транслокацию peptidyl-tRNA с A-site на P-site (Carter et al., 2000). Termination Цикл элонгации обычно продолжается то тех пор, пока не будет выявлен стоп-кодон с помощью class 1 release factor (RF1 и RF2). Фактор class 2 , RF3-GTP, облегчает cognate связывание др. релиз-факторов. Они запускают гидролиз эфирных связей, соединяющих синтезируемый пептид с tRNA и высвобождают пептидную цепь. Ribosome recycling factor (RRF) вместе с EF-G-обеспечиваемой транслокацией затем управляет диссоциацией субъединиц с готовностью к образованию нового 30S иниационного комплекса. Неизвестны антибиотики специфически влияющие на терминацию пептидного синтеза.
|