Team entwickelt eine neue Methode zur Untersuchung der Ribosomenfunktion auf atomarer Ebene

Innerhalb winziger zellulärer Maschinen, die Ribosomen genannt werden, werden Ketten aus genetischem Material, die Boten-RNAs (mRNAs) genannt werden, mit den entsprechenden Transfer-RNAs (tRNAs) abgeglichen, um Sequenzen von Aminosäuren zu erzeugen, die das Ribosom als Proteine ​​verlassen. Unfertige Proteine ​​werden naszierende Ketten genannt und bleiben am Ribosom hängen.

Wissenschaftler wissen, dass einige dieser entstehenden Ketten die Aktivität des Ribosoms regulieren können und dass die entstehenden Ketten manchmal mit Antibiotika interferieren können – von denen viele wirken, indem sie auf die bakterielle Ribosomenaktivität abzielen. Wissenschaftler wissen nicht, warum dies passiert, hauptsächlich weil es schwierig ist, sich vorzustellen, wie die Ribosom-Peptid-Arzneimittel-Wechselwirkungen aussehen, während die unfertigen Proteine ​​​​noch an das Ribosom gebunden sind.

Nun berichten Wissenschaftler der University of Illinois Chicago als erste über eine Methode zur stabilen Bindung von Peptiden an tRNAs, die es ihnen ermöglicht hat, neue grundlegende Einblicke in die Funktion von Ribosomen zu gewinnen, indem sie die Strukturen von Ribosomen auf atomarer Ebene und die Formen dieser bestimmen Peptide nehmen das Ribosom ein.

Über ihre Methode wird neu in der Zeitschrift berichtet Naturchemie.

„Die Herausforderung bestand darin, die Struktur des Ribosoms und des Ausgangstunnels in Gegenwart der entstehenden Peptide aus der Nähe zu sehen, da das Ribosom in der Natur sehr schnell für uns ist, um Bilder aufzunehmen oder Experimente durchzuführen“, sagte Yury Polikanov, Associate Professor für Biowissenschaften am College of Liberal Arts and Sciences. „Bis zum Aufkommen dieser neuen Methode waren wir im Wesentlichen blind dafür, zu sehen, was in diesem kritischen Moment in der aktiven Seite des Ribosoms passiert.“

Polikanov und sein Kollege Egor Syroegin, ein Ph.D. Kandidat in Biowissenschaften an der UIC, verwendete eine Methode namens native chemische Ligation, um benutzerdefinierte Peptide mit der tRNA zu fusionieren, um eine sogenannte Peptidyl-tRNA zu erhalten.

„Der Erhalt von tRNA-Molekülen, die an Peptide gebunden sind, ähnlich denen im Ribosom während der Proteinsynthese, ist seit fast zwei Jahrzehnten ein Traum vieler Forscher auf diesem Gebiet“, sagte Polikanov. „Das war eine große Herausforderung, weil es keine Enzyme gibt, die Peptide direkt an eine tRNA binden können.“

„Die Methode wird seit langem in der Chemie verwendet, aber sie wurde noch nie auf diese Weise angewendet. Sie ahmt im Grunde die Natur nach, und mit unserer fortgeschrittenen Bildgebungserfahrung sehen wir jetzt, wie die Natur mit hoher Auflösung funktioniert“, sagt Syroegin sagte.

Mit diesem neuen Ansatz bestimmten Polikanov und Syroegin eine Reihe hochaufgelöster Strukturen des Ribosoms, das Peptidyl-tRNAs unterschiedlicher Länge trägt.

Eine detaillierte Analyse dieser Strukturen liefert neue und überraschende Einblicke in den Mechanismus des katalytischen Zentrums des Ribosoms und beantwortet mehrere seit langem bestehende grundlegende Fragen auf dem Gebiet der Ribosomen, sagte Polikanov.

„Wir haben gesehen, dass verschiedene Peptide je nach Sequenz unterschiedliche Formen oder Falten innerhalb des ribosomalen Tunnels bilden können, und wir können verschiedene Peptide mit unterschiedlichen Sequenzen synthetisieren und dann aufgrund der hohen Auflösung unserer Strukturen sehr genau ihrer Form folgen“, sagt Syroegin sagte. „Also können wir jetzt sehr zuversichtlich sagen, dass ‚diese Peptide dieser Sequenz diese Form haben‘ oder ‚ein anderes Peptid eine andere Form hat‘. Das ist wichtig, weil die entstehende Peptidfaltung bestimmt, ob Medikamente Ribosomen stoppen oder nicht.“

„Diese Methode eröffnet unzählige Möglichkeiten für Struktur- und Funktionsstudien, die darauf abzielen, die Mechanismen der Ribosomenfunktion sowie das sequenzspezifische Ribosomen-Stalling, das durch bestimmte Antibiotika induziert wird, zu verstehen“, sagte Polikanov.

Polikanov und Syroegin sind zusammen mit Elena Aleksandrova, Forschungsspezialistin in der Abteilung für Biowissenschaften der UIC, Co-Autoren des Artikels „Insights into the ribosome function from the structure of non-arrested ribosome nascent chain complexes“.