16S rRNAの1408位の抗生物質耐性と致死的変異のフィットネスコストの構造的基盤

Structural Bases for the Fitness Cost of the Antibiotic-Resistance and Lethal Mutations at Position 1408 of 16S rRNA.

• Jiro Kondo
• Mai Koganei

抄録

リボソームAサイトRNAのA1408G抗生物質耐性変異のフィットネスコストの構造的基盤を理解するために、A1408CおよびA1408U致死変異体の結晶構造を決定し、野生型および抗生物質耐性変異体の既往の構造との比較を行った。非対称な内部ループを含むAサイトRNAは、そのコンフォメーションのON/OFF切り替えにより、単一のtRNAと複数のtRNAを区別する分子スイッチとして機能している。A1408C/U致死変異体の「オフ」状態の全体的な構造は、野生型とA1408G抗生物質耐性変異体のそれと非常によく似ている。しかし、機能的に重要なA1492残基とA1493残基を含む局所的な塩基積層相互作用に大きな違いが見られた。野生型とA1408G抗生物質耐性変異体の「オフ」状態では、両方のアデニンが溶媒領域に露出している。一方、致死的なA1408C/U変異体の対応するアデニンのうちの1つは、プリンピリミジンAoCまたはA-U塩基対を形成することにより、そのAサイトらせんの奥深くにとどまり、上下の塩基の間に挟まれている。そのため、致死変異体では、野生型やA1408G抗生物質耐性変異体と比較して、ON/OFFの切り替えが不利になる可能性がある。1408の位置をAからGにのみ変異させることで、Aサイト分子スイッチの機能を失わずに抗生物質耐性を獲得することが可能であると考えられる。

To understand a structural basis for the fitness cost of the A1408G antibiotic-resistance mutation in the ribosomal A-site RNA, we have determined crystal structures of its A1408C and A1408U lethal mutants, and made comparison with previously solved structures of the wild type and the antibiotic-resistant mutant. The A-site RNA containing an asymmetric internal loop functions as a molecular switch to discriminate a single cognate tRNA from several near-cognate tRNAs by its conformational ON/OFF switching. Overall structures of the "off" states of the A1408C/U lethal mutants are very similar to those of the wild type and the A1408G antibiotic-resistant mutant. However, significant differences are found in local base stacking interactions including the functionally important A1492 and A1493 residues. In the wild type and the A1408G antibiotic-resistant mutant "off" states, both adenines are exposed to the solvent region. On the other hand, one of the corresponding adenines of the lethal A1408C/U mutants stay deeply inside their A-site helices by forming a purine-pyrimidine AoC or A-U base pair and is sandwiched between the upper and lower bases. Therefore, the ON/OFF switching might unfavorably occur in the lethal mutants compared to the wild type and the A1408G antibiotic-resistant mutant. It is probable that bacteria manage to acquire antibiotic resistance without losing the function of the A-site molecular switch by mutating the position 1408 only from A to G, but not to pyrimidine base C or U.