アミノグリコシド抵抗性メチル基転移酵素RmtCの機能的に重要な残基が30S基の基質認識に異なる役割を果たしていることがわかった

Functionally critical residues in the aminoglycoside resistance-associated methyltransferase RmtC play distinct roles in 30S substrate recognition.

• Meisam Nosrati
• Debayan Dey
• Atousa Mehrani
• Sarah E Strassler
• Natalia Zelinskaya
• Eric D Hoffer
• Scott M Stagg
• Christine M Dunham
• Graeme L Conn

抄録

リボソーム解読中心の小さなリボソームサブユニットrRNAのメチル化は、細菌において例外的に高レベルのアミノグリコシド耐性をもたらす。ヌクレオチドG1405（mG1405）のN7上の16S rRNAをメチル化する酵素は、アミノグリコシド産生菌および臨床的に薬剤耐性の病原性細菌の両方で同定されている。蛍光偏光30S結合アッセイと3.14Å分解能でのメチルトランスフェラーゼRmtCの新規結晶構造を用いて、アミノグリコシド耐性関連16S rRNA（mG1405）メチルトランスフェラーゼによる30S基質認識の構造誘導型機能研究を報告する。30Sサブユニット内のこれらの酵素の結合部位は、アミノグリコシド抵抗性関連16S rRNA (mA1408) メチルトランスフェラーゼの第2のファミリーの結合部位と直接重なっていることを発見し、両グループの酵素が30Sへのドッキングのために同じ保存されたrRNA三次表面を利用している可能性を示唆している。RmtC内では、30S結合親和性に直接寄与するN1およびN2サブドメインの塩基性残基からなるN末端ドメイン表面を定義した。対照的に、C末端ドメイン上の隣接する表面を覆う付加的な残基は、16S rRNA修飾には重要であるが、結合親和性には直接寄与しなかった。これらの実験結果から、mG1405 メチルトランスフェラーゼ基質認識の重要な特徴が明らかになり、少なくとも2つの機能的に重要な酵素残基の貢献が明らかになった。この研究は、30S-メチルトランスフェラーゼ複合体の将来の高分解能構造研究、および将来の治療戦略における基質認識のユニークな側面の利用の可能性を示すものである。

Methylation of the small ribosome subunit rRNA in the ribosomal decoding center results in exceptionally high-level aminoglycoside resistance in bacteria. Enzymes that methylate 16S rRNA on N7 of nucleotide G1405 (mG1405) have been identified in both aminoglycoside-producing and clinically drug-resistant pathogenic bacteria. Using a fluorescence polarization 30S-binding assay and a new crystal structure of the methyltransferase RmtC at 3.14 Å resolution, here we report a structure-guided functional study of 30S substrate recognition by the aminoglycoside resistance-associated 16S rRNA (mG1405) methyltransferases. We found that the binding site for these enzymes in the 30S subunit directly overlaps with that of a second family of aminoglycoside resistance-associated 16S rRNA (mA1408) methyltransferases, suggesting that both groups of enzymes may exploit the same conserved rRNA tertiary surface for docking to the 30S. Within RmtC, we defined an N-terminal domain surface, comprising basic residues from both the N1 and N2 subdomains, that directly contributes to 30S-binding affinity. In contrast, additional residues lining a contiguous adjacent surface on the C-terminal domain were critical for 16S rRNA modification but did not directly contribute to the binding affinity. The results from our experiments define the critical features of mG1405 methyltransferase-substrate recognition and distinguish at least two distinct, functionally critical contributions of the tested enzyme residues: 30S-binding affinity and stabilizing a binding-induced 16S rRNA conformation necessary for G1405 modification. Our study sets the scene for future high-resolution structural studies of the 30S-methyltransferase complex and for potential exploitation of unique aspects of substrate recognition in future therapeutic strategies.

© 2019 Nosrati et al.