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核糖体靶向抗生素是一类重要的抗菌药物。氯霉素（Cm）是一种被广泛研究的核糖体肽基转移酶中心（PTC）结合剂，越来越多的证据表明其抑制作用取决于新生肽的序列。分子尺度上的这种选择性抑制如何在细胞水平上表现尚不清楚。
2024年12月12日，中国科学院生物物理所薛亮等在Nature Structural & Molecular Biology（IF=12.5）在线发表题为“Structural insights into context-dependent inhibitory mechanisms of chloramphenicol in cells”的研究论文，该研究用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。
该研究通过解析Cm结合的核糖体3.0 Å，阐明了Cm与PTC中天然新生肽和转移RNA的协调。Cm导致许多翻译延伸状态的积累，表明正在进行的无效调节周期，以及广泛的核糖体碰撞。因此，除了直接抑制蛋白质合成外，Cm的作用可能涉及细胞应激反应的激活。这项工作举例说明了细胞内结构生物学如何扩大对广泛研究的抗生素的作用机制的理解。蛋白质合成和翻译是每个活细胞的基本过程，因此是抗菌药物的主要靶点之一。氯霉素（Cm）是第一个临床使用的广谱抗生素。它通过与细菌核糖体的大亚基（LSU）中的肽基转移酶中心（PTC）结合来抑制翻译。结构研究表明，Cm通过在空间上阻碍PTC4-6中A位点转移RNA（tRNA）的氨基基部分定位来阻断新的肽键形成。然而，与长期以来认为Cm是一种一般的翻译抑制剂的观点。相反，最近来自核糖体分析和足印的证据表明，Cm和类似的PTC结合抗生素（如利奈唑胺）以一种依赖于PTC7中新生肽的氨基酸序列的方式阻断翻译。当新生肽的倒数第二个残基是Ala或较低程度的Ser和Thr时，Cm优先抑制肽基转移。0位Asp或- 3位Lys的存在增强了Cm的抑制作用。相反，当Gly位于0位或进入的氨基酰基tRNA (aa-tRNA；位置+1)在A位点。这些发现被体外单分子荧光实验证实，表明Cm在阻滞序列基序合成之前不会抑制翻译，当进入的aa-tRNA携带Gly8时，抑制作用就会被绕过。用Cm处理的大肠杆菌细胞的单分子翻译动力学跟踪也显示了缓慢但持续的翻译。因此，尽管Cm是研究最广泛的抗生素之一，但关于其依赖环境的作用机制的新证据如何在结构水平上表现出来仍然是一个悬而未决的问题。CM处理肺炎支原体细胞的核糖体图谱和模型（图源自Nature Structural & Molecular Biology）为了解决这一问题，最近在体外对嗜热热热菌核糖体结构的研究表明，在不可水解的三肽基tRNA类似物作为p位点配体的情况下，Cm与新生肽的氨基酸残基之间存在有利的环境依赖性相互作用，特别是位于- 1位置的Ala，这是稳定Cm在PTC中所必需的。类似的序列依赖性抑制机制也被假定为与Cm重叠的PTC位点结合的恶唑烷酮抗生素。然而，由于模仿aa-tRNA的片段在Cm的典型结合位点上与Cm竞争，并且只有A-位点结合的Gly-tRNA与Cm同时结合兼容，因此Cm-停顿核糖体与P位点的全肽基tRNA和A位点的aa-tRNA复合物的结构仍然难以捉摸。此外，用短肽模拟物进行的体外实验不能概括活细胞内过量mRNA翻译的抑制作用。该研究在原子、分子和细胞水平上全面了解了Cm的抑制作用，并补充了目前Cm和其他PTC靶向抗生素的环境依赖抑制模型。Cm的环境依赖作用不仅反映在特定新生肽序列的核糖体上，而且还在多聚体的天然环境中传播到细胞尺度，并可能相关的细胞应激反应途径。这项工作建立了新兴的细胞内结构生物学方法如何在自然环境中推进药物作用的机制理解。
参考消息：
https://www.nature.com/articles/s41594-024-01441-0
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