リボソームの大規模な構造情報伝達と抗生物質「スペチノマイシン」の生細胞でのメカニズムを1分子相関化学プローブで解明

Single-molecule correlated chemical probing reveals large-scale structural communication in the ribosome and the mechanism of the antibiotic spectinomycin in living cells.

• Arnab Sengupta
• Greggory M Rice
• Kevin M Weeks

抄録

リボソームは、異なる構造状態の間を移動し、複数の機能ドメインに編成されている。ここでは、細菌細胞の変異プロファイリング（RING-MaP）による単一分子相関化学プロービングを用いて解析したRNA相互作用群を用いて、リボソームのスモールサブユニットRNAのヌクレオチド間でのペアワイズ的なスルースペースコミュニケーションの数百回の発生を調べた。RING-MaPにより、リボソームのスモールサブユニットRNAには4つの構造群集が存在し、それぞれの構造群集はRNAの二次構造で定義された組織とは異なることが明らかになった。頭部ドメインには2つの構造的コミュニティが含まれている：外側の頭部には頭部旋回のためのピボットが含まれており、内側の頭部コミュニティはらせん44と構造的に統合されており、全体のリボソームのインターサブユニット界面にまたがっている。抗生物質であるスペチノマイシン（Spc）による細胞内結合は、核酸ごとの化学的プロービングシグナルによって明らかにされるように、その局所的な結合ポケットをほとんど動かさない。対照的に、Spcの結合は、リボソームを横切って95Å伸びる長距離のRNA-RNA接触を過剰に安定化させ、この接触は、ヘッドスイベルのためのピボットとインターサブユニット回転軸を接続する。単一分子相関化学プローブは、トランスドメイン構造コミュニケーションを明らかにし、メガダルトンリボソームへの低分子質量抗生物質による結合の深遠な機能的効果を合理化する。

The ribosome moves between distinct structural states and is organized into multiple functional domains. Here, we examined hundreds of occurrences of pairwise through-space communication between nucleotides in the ribosome small subunit RNA using RNA interaction groups analyzed by mutational profiling (RING-MaP) single-molecule correlated chemical probing in bacterial cells. RING-MaP revealed four structural communities in the small subunit RNA, each distinct from the organization defined by the RNA secondary structure. The head domain contains 2 structural communities: the outer-head contains the pivot for head swiveling, and an inner-head community is structurally integrated with helix 44 and spans the entire ribosome intersubunit interface. In-cell binding by the antibiotic spectinomycin (Spc) barely perturbs its local binding pocket as revealed by the per-nucleotide chemical probing signal. In contrast, Spc binding overstabilizes long-range RNA-RNA contacts that extend 95 Å across the ribosome that connect the pivot for head swiveling with the axis of intersubunit rotation. The two major motions of the small subunit-head swiveling and intersubunit rotation-are thus coordinated via long-range RNA structural communication, which is specifically modulated by Spc. Single-molecule correlated chemical probing reveals trans-domain structural communication and rationalizes the profound functional effects of binding by a low-molecular-mass antibiotic to the megadalton ribosome.