ビオマイシンによるリボソーム転座阻害の構造的基盤

The structural basis for inhibition of ribosomal translocation by viomycin.

• Ling Zhang
• Ying-Hui Wang
• Xing Zhang
• Laura Lancaster
• Jie Zhou
• Harry F Noller

抄録

結核感染症との戦いに使用されてきた抗生物質であるビオマイシンは、リボソームのサブユニットの解離を阻害し、リボソームをサブユニット間回転の中間状態にトラップすることで、タンパク質合成の転座ステップを阻害すると考えられている。ビオマイシンがこの状態を安定化させるメカニズムは未だ解明されていない。そこで私たちは、ヴィオマイシンによって回転状態にトラップされた70Sリボソーム複合体の低温電子顕微鏡およびX線結晶構造を決定しました。3.8Å分解能の低温電子顕微鏡構造から、30Sサブユニットのヘッドドメインが5.3°回転し、8.6°のサブユニット間回転と5.3°の回転を持つハイブリッド状態にトラップされたリボソームが、単一のP/E状態のトランスファーRNA（tRNA）を保持していることが明らかになった。そのうち4つはこれまでに記述されていなかったものである。これらの結合相互作用の詳細を解明するために、ビオマイシンが結合したリボソーム複合体の3.1Åの結晶構造を解析したところ、5つのビオマイシンはすべてリボソームRNAに結合していることが明らかになった。そのうちの1つ（Vio1）は、以前に非回転古典状態のリボソームとの複合体で同定された単一のビオマイシンに対応している。新たに観測された3つの結合部位（Vio3、Vio4、およびVio5）は、サブユニット間橋にクラスター化されており、サブユニットの解離を阻害するヴィオマイシンの能力と一致している。これらの3つの同じビオマイシンのうちの1つ以上が、16Sおよび23S rRNAの動的要素でリボソームの回転した状態を選択的に結合することで、インターサブユニット回転を誘導し、トランスロケーションに必要な分子運動に関連するコンフォメーション変化をブロックすることを提案している。

Viomycin, an antibiotic that has been used to fight tuberculosis infections, is believed to block the translocation step of protein synthesis by inhibiting ribosomal subunit dissociation and trapping the ribosome in an intermediate state of intersubunit rotation. The mechanism by which viomycin stabilizes this state remains unexplained. To address this, we have determined cryo-EM and X-ray crystal structures of 70S ribosome complexes trapped in a rotated state by viomycin. The 3.8-Å resolution cryo-EM structure reveals a ribosome trapped in the hybrid state with 8.6° intersubunit rotation and 5.3° rotation of the 30S subunit head domain, bearing a single P/E state transfer RNA (tRNA). We identify five different binding sites for viomycin, four of which have not been previously described. To resolve the details of their binding interactions, we solved the 3.1-Å crystal structure of a viomycin-bound ribosome complex, revealing that all five viomycins bind to ribosomal RNA. One of these (Vio1) corresponds to the single viomycin that was previously identified in a complex with a nonrotated classical-state ribosome. Three of the newly observed binding sites (Vio3, Vio4, and Vio5) are clustered at intersubunit bridges, consistent with the ability of viomycin to inhibit subunit dissociation. We propose that one or more of these same three viomycins induce intersubunit rotation by selectively binding the rotated state of the ribosome at dynamic elements of 16S and 23S rRNA, thus, blocking conformational changes associated with molecular movements that are required for translocation.