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NSMB | 薛亮等用cryo-ET揭示抗生素原位作用新机制

BioArt · 公众号 · 生物 · 2024-12-13 07:15

正文

深入解析药物分子作用机制是结构生物学最重要的应用之一。细胞是生命的基本单元。药物分子进入细胞后如何通过结合靶标分子影响细胞整体生命活动是深入理解作用机制的关键。氯霉素是世界上第一种广谱抗生素药物，结合在核糖体肽基转移中心上抑制新肽键形成，被认为是机制研究最充分的抗生素之一。然而近年研究表明，以氯霉素为代表的一部分抗生素具有序列依赖性 (context-dependent inhibition)，显示抗生素作用机制的多样性与复杂性【1】。以冷冻电子断层成像cryo-ET为代表的原位结构生物学近年来快速兴起【2, 3】，为在细胞内天然条件下深入研究药物分子的作用机制提供了可能。

2024年12月12日，中科院生物物理所薛亮研究员等在Nature Structural & Molecular Biology期刊发表题为Structural insights into context-dependent inhibitory mechanisms of chloramphenicol in cells 的研究论文，用cryo-ET在近原子、分子与细胞层面系统解析了氯霉素的原位作用细节，揭示了氯霉素如何与新生肽链互作，重塑核糖体结构功能状态，引发核糖体碰撞进而引起细胞应激反应等系列事件的细胞分子结构基础。

通过优化数据收集处理，薛亮等首先将氯霉素处理的肺炎支原体中核糖体的原位结构推进到整体3.0Å，核心2.8Å分辨率的水平。相比于他们2021年方法学论文^[4]中报道的3.5Å结构，该新结构在解析氯霉素分子取向，周围rRNA构象，药物分子与新生肽链互作等方面取得了本质提升。高质量原子模型的搭建展示了氯霉素是如何重塑肽链转移中心局部化学微环境，以及如何通过与新生肽链上特定残基互作而产生序列依赖性的。值得指出的是，该3.0Å原位结构在细胞内原位直接观察到了若干离子密度，并确定了一个K⁺在氯霉素结合中的重要作用。

图 1 | 3.0Å原位结构揭示氯霉素序列依赖作用结构基础

通过深度结构分类，他们发现了一系列处于肽基转移前状态的核糖体翻译中间体结构，并且在其中主要类别中均解析到了氯霉素密度。氯霉素不仅重塑了肽基转移中心，也进一步地影响了核糖体翻译机器的整体结构功能状态分布。基于原位结构与前人功能研究，他们推测携带新氨基酸的氨基酰-tRNA·EF-Tu·GTP三元复合物结合核糖体后可完成GTP水解进位到A位点，但由于氯霉素阻挡无法完成肽基转移形成新肽键，最终氨基酰-tRNA会被核糖体推出。这种重复但无效的“结合-进位-推出”过程仍会消耗GTP，类似于把核糖体变成了一个耗能的空转机器。细菌可以利用(p)ppGpp介导的细胞应激反应降低细胞内GTP浓度以增加对氯霉素的耐受性【5】，佐证这一模型。

视频2 | 氯霉素在细胞内导致多聚核糖体间碰撞

综合三维空间分析以及结构分类，薛亮等进一步解析了三种处于不同状态的多聚核糖体内二聚体结构。其中主要的两类发生了明显的核糖体间直接碰撞。但类似碰撞核糖体在正常与其它非序列依赖的核糖体抗生素处理的细胞中均不存在，显示其与氯霉素的序列依赖作用机制直接相关。这种持续的直接碰撞会干扰前一个核糖体的翻译准确度，导致更多的移码突变 (frameshifting) 而非其它类型突变【6】。更重要的是，作为作为感知细胞状态的早期机制之一，碰撞核糖体能够引发细胞应激反应。突变掉能够救援碰撞核糖体的蛋白将导致细菌对氯霉素和另一种具有序列依赖机制的红霉素敏感，而非不具有序列依赖作用机制的壮观霉素和潮霉素B【7, 8】。

中科院生物物理所薛亮研究员为该论文第一作者和共同通讯作者。薛亮在欧洲分子生物学实验室 (EMBL) Julia Mahamid组博后期间完成了数据收集，并独立完成了所有结构解析。德国柏林夏里特医学院（Charité Universitätsmedizin）的Magdalena Schacherl与Christian Spahn教授搭建了模型并对结果分析做出贡献。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41594-024-01441-0

附录招聘启事

薛亮课题组深耕原位结构生物学领域，尤其是高分辨cryo-ET技术在生物医学研究中的应用。薛亮研究员是中科院生物物理所独立课题组长、博士生导师，获国家海外高层次人才项目支持。近年来以通讯或第一作者在Nature、Science、NSMB等发表系列高影响论文。课题组资源充足，科研氛围好，平台技术水平高。现重点招收细胞生物学、医学、计算等相关背景博士后/助理研究员2-3人。机会难得，让我们一起以原子级全新视角探索细胞内的分子世界。

制版人：十一

参考文献

[1] Vazquez-Laslop & Mankin. Context-Specific Action of Ribosomal Antibiotics. Annu Rev Microbiol 2018

[2] Xue, et al. Visualizing translation dynamics at atomic detail inside a bacterial cell. Nature 2022

[3] Beck, et al. Understanding the cell: Future views of structural biology. Cell 2024

[4] Tegunov, Xue, Dienemann, Cramer & Mahamid. Multi-particle cryo-EM refinement with M visualizes ribosome-antibiotic complex at 3.5 A in cells. Nature Methods 2021

[5] Yang, et al. Bacillus subtilis produces (p)ppGpp in response to the bacteriostatic antibiotic chloramphenicol to prevent its potential bactericidal effect. mLife 2022

[6] Thompson, et al. The protein synthesis inhibitors, oxazolidinones and chloramphenicol, cause extensive translational inaccuracy in vivo. J Mol Biol 2022

[7] Cerullo, et al. Bacterial ribosome collision sensing by a MutS DNA repair ATPase paralogue. Nature 2022.

[8] Saito, et al. Ribosome collisions induce mRNA cleavage and ribosome rescue in bacteria. Nature 2022.

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