Новое исследование показывает, что эукариотические рибосомы могут быть модифицированы таким образом, чтобы реагировать на антибиотики так же, как и прокариотические рибосомы.
По мнению исследователей из Университета Иллинойса в Чикаго, антибиотики, используемые для лечения распространенных бактериальных инфекций, могут также использоваться для лечения других заболеваний человека, например, рака. Теоретически, по крайней мере.
Как указано в новом исследовании Nature Communications, ученым удалось показать в лабораторных экспериментах, что эукариотические рибосомы могут быть модифицированы, чтобы реагировать на антибиотики так же, как и прокариотические рибосомы.
Грибы, растения и животные - такие как человек - являются эукариотами; они состоят из клеток, имеющих четко выраженное ядро. Бактерии, с другой стороны, являются прокариотами. Они состоят из клеток, у которых нет ядра и которые имеют другую структуру, размер и свойства. Рибосомы эукариотических и прокариотических клеток, которые отвечают за синтез белка, необходимого для роста и размножения клеток, также отличаются.
"Некоторые антибиотики, используемые для лечения бактериальных инфекций, действуют интересным образом. Они связываются с рибосомой бактериальных клеток и очень избирательно ингибируют синтез белка. Некоторые белки могут производиться, а другие - нет", - говорит старший автор исследования Александр Манкин. "Без производства этих белков бактерии погибают". Когда люди используют антибиотики для лечения инфекции, клетки пациента не страдают, потому что эти препараты не предназначены для связывания с отличающимися по форме рибосомами эукариотических клеток.
"Поскольку существует множество заболеваний человека, вызванных экспрессией нежелательных белков - это характерно, например, для многих видов рака или нейродегенеративных заболеваний - мы хотели узнать, возможно ли использовать антибиотик, чтобы остановить человеческую клетку от производства нежелательных белков, и только их", - рассказывает Манкин. Чтобы ответить на этот вопрос, Манкин и первый автор исследования Максим Светлов обратились к дрожжам - эукариотам, как и клетки человека.
Исследовательская группа, в которую входили партнеры из Германии и Швейцарии, проделала "прикольный трюк", - говорит Манкин. "Мы сконструировали дрожжевую рибосому так, чтобы она стала более похожа на бактериальную".
Группа Манкина и Светлова использовала биохимию и тонкую генетику для изменения одного нуклеотида из более чем 7000 в рибосомальной РНК дрожжей, что было достаточно для того, чтобы макролидный антибиотик, который действует путем связывания с бактериальными рибосомами - действовал на дрожжевую рибосому. Используя эту модель, исследователи применили геномное профилирование и структурный анализ высокого разрешения, чтобы понять, как синтезируется каждый белок в клетке и как макролид взаимодействует с дрожжевой рибосомой.
"Благодаря этому анализу мы поняли, что в зависимости от специфической генетической сигнатуры белка - наличия "хорошего" или "плохого" сиквенса - макролид может остановить его производство на эукариотической рибосоме или не может", - говорит Манкин. "Концептуально это показало нам, что антибиотики можно использовать для избирательного ингибирования синтеза белка в клетках человека и применять для лечения заболеваний, вызванных "плохими" белками".
Эти эксперименты представляют собой плацдарм для дальнейших исследований. "Теперь, когда мы знаем, что концепции работают, мы можем искать антибиотики, способные связываться в немодифицированных эукариотических рибосомах, и оптимизировать их для ингибирования только тех белков, которые вредны для человека", - отметил Манкин.
Maxim S. Svetlov et al. Контекст-специфическое действие макролидных антибиотиков на эукариотическую рибосому (аннотация).
Макролидные антибиотики связываются в выходном туннеле зарождающегося пептида бактериальной рибосомы и предотвращают полимеризацию определенных аминокислотных последовательностей, избирательно ингибируя трансляцию подмножества белков. Поскольку предотвращение трансляции отдельных белков может быть полезным для лечения заболеваний человека, мы задались вопросом, сохранят ли макролиды, если они будут связаны с эукариотической рибосомой, свое действие, специфичное для контекста и белка. Внеся одну мутацию в рРНК, мы сделали клетки дрожжей Saccharomyces cerevisiae чувствительными к макролидам.
Крио-ЭМ структурный анализ показал, что макролид телитромицин связывается в туннеле сконструированной эукариотической рибосомы. Геномный анализ клеточной трансляции и биохимические исследования показали, что препарат ингибирует эукариотическую трансляцию, преимущественно останавливая рибосомы в определенных мотивах сиквенса. Контекст-специфическое действие заметно зависит от структуры макролида. Устранение из белка мотивов, блокирующих макролиды, делает его трансляцию толерантной к макролидам.
Наши данные открывают перспективы адаптации макролидов для селективного ингибирования трансляции белков в эукариотических клетках.
