The Structural Dynamics of Translation Initiation

翻译起始的结构动力学

基本信息

  • 批准号:
    9099859
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 31.88万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2008
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2008-12-01 至 2019-02-28
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

DESCRIPTION (provided by applicant): The emergence of bacterial "superbugs" with resistance to even the most powerful antibiotics currently available poses a serious threat to human health and demands the development of new antibiotics. Approximately half of all clinically used antibiotics target the process of protein synthesis in bacteria. Protein synthesis s an essential cellular process whereby messenger RNA (mRNA) copies of the genes encoded by an organism's DNA genome are translated into their corresponding protein products by the cellular translational machinery (TM). Antibiotics that specifically target bacterial protein synthesis do so by exploiting subtle differences between the bacterial and eukaryotic TMs. The ultimate goal of this proposal is to inform antibiotic development efforts through the identificatin of new antibiotic targets within the bacterial TM. Herein, we focus on the initiation phase of translation, the step of the protein synthesis pathway where bacteria and eukaryotes differ the most. Translation initiation is a dynamic, multi-step process that, in bacteria, begins with the formation of a 30S initiation complex (30S IC) comprised of the small 30S ribosomal subunit, the mRNA to be translated, an initiator formylmethionyl-transfer RNA (tRNA), and three initiation factors (IFs). Subsequently, the large 50S ribosomal subunit joins to the 30S IC to form a functional 70S initiation complex. Subunit joining is an essential feature of this process and bacterial-specific aspects of subunit joining consequently represent viable antibiotic targets. In this proposal, we will use a combination of molecular biological, single-molecule biophysical, biochemical, and structural strategies to investigate three poorly understood aspects of the subunit joining reaction: In Aim 1, we will investigate how the conformational dynamics of the 30S IC-bound IFs drive and regulate subunit joining; In Aim 2, we will examine how structural rearrangements of the 30S subunit and associated changes in the positions of IF- and tRNA ligands within the 30S IC regulate subunit joining; In Aim 3, we will study the roles that the individual components of the factor-binding site of the 50S subunit play in directing the subunit joining reaction. Our guiding hypothesis, based on extensive ensemble studies of translation initiation and accumulating single-molecule studies of the elongation phase of translation, is that the IFs, tRNA, 30S subunit, and 50S subunit stochastically fluctuate between various conformational states, some of which are conducive to subunit joining, and others that are inhibitory. In this model, shifts towards subunit joining-competent states would up-regulate protein synthesis, while shifts towards subunit joining-inhibitory states would down-regulate protein synthesis; development of small-molecule drugs designed to destabilize the competent states or stabilize the inhibitory states in a bacteria-specific manner could therefore provide a means of generating new antibiotics. The proposed studies will provide a comprehensive mechanistic understanding of the subunit joining reaction and, in doing so, will aid in the identification of novel bacteria- specific aspects of the reaction that can serve as targets for th development of next-generation antibiotics.
描述(由申请人提供):细菌“超级细菌”的出现,甚至对目前可用的最强大的抗生素都具有抗药性,对人类健康构成了严重威胁,需要开发新的抗生素。临床使用的抗生素中大约有一半以细菌蛋白质合成过程为目标。蛋白质合成是一个重要的细胞过程,生物体 DNA 基因组编码的基因的信使 RNA (mRNA) 副本通过细胞翻译机器 (TM) 翻译成相应的蛋白质产物。专门针对细菌蛋白质合成的抗生素是通过利用细菌和真核生物 TM 之间的细微差异来实现这一目标的。该提案的最终目标是通过识别细菌 TM 内的新抗生素靶点来为抗生素开发工作提供信息。在这里,我们重点关注翻译的起始阶段,这是细菌和真核生物最不同的蛋白质合成途径的步骤。翻译起始是一个动态的、多步骤的过程,在细菌中,首先形成 30S 起始复合物 (30S IC),该复合物由 30S 核糖体小亚基、待翻译的 mRNA、起始子甲酰甲硫氨酰转移 RNA (tRNA) 组成。 )和三个启动因子(IF)。随后,大的 50S 核糖体亚基与 30S IC 结合,形成功能性 70S 起始复合物。亚基连接是该过程的基本特征,因此亚基连接的细菌特异性方面代表了可行的抗生素靶标。在本提案中,我们将结合分子生物学、单分子生物物理、生物化学和结构策略来研究亚基连接反应的三个鲜为人知的方面:在目标 1 中,我们将研究 30S IC 的构象动力学如何-结合IF驱动和调节亚基连接;在目标 2 中,我们将研究 30S 亚基的结构重排以及 30S IC 内 IF- 和 tRNA 配体位置的相关变化如何调节亚基连接;在目标 3 中,我们将研究 50S 亚基因子结合位点的各个组件在指导亚基连接反应中所起的作用。基于对翻译起始的广泛整体研究和对翻译延伸阶段的单分子研究的积累,我们的指导性假设是: IF、tRNA、30S亚基和50S亚基在各种构象状态之间随机波动,其中一些有利于亚基连接,而另一些则具有抑制作用。在该模型中,向亚基连接有效状态的转变将上调蛋白质合成,而向亚基连接抑制状态的转变将下调蛋白质合成;因此,开发旨在以细菌特异性方式破坏活性状态或稳定抑制状态的小分子药物可以提供一种产生新抗生素的方法。拟议的研究将对亚基连接反应提供全面的机制理解,从而有助于识别该反应的新型细菌特异性方面,这些方面可以作为下一代抗生素开发的目标。

项目成果

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