2020年4月27日，浙江大學生命科學研究院周杰實驗室與加州大學Santa Cruz分校RNA分子生物學中心主任Harry Noller教授合作在國際著名學術期刊PNAS上在線發表了題為「The Structural Basis for Inhibition of Ribosomal Translocation by Viomycin」的研究論文，首次解析了紫黴素Viomycin與核糖體複合物的高解析度結構，揭示了Viomycin在核糖體上新的結合位點，並全面闡明了Viomycin抑制蛋白質翻譯的分子機制。
近年來，病原菌對抗生素的耐藥性問題日益突出，已經成為全球的健康問題。出現抗生素耐藥性的主要原因之一是病原體可以對自身結構進行突變。核糖體是抗生素的天然靶標，臨床上一半以上的抗生素藥物作用於核糖體，通過抑制蛋白質翻譯起到抗菌效果。因此，闡明目前重要抗生素的結合位點及其作用機理有助於臨床上使用的抗生素藥物的改造和新型抗菌藥物的研發。紫黴素（Viomycin）（圖1A）是靶向核糖體的環狀多肽抗生素，是臨床上廣泛用於治療肺結核疾病的重要藥物。研究Viomycin抑制蛋白質合成的分子機制將為解決相關抗生素（tuberactinomycin family）耐藥性問題的新藥研發提供重要的依據和思路。
圖1 紫黴素Viomycin與核糖體複合物的總體結構
A. Viomycin的結構；B. Viomycin與核糖體複合物的冷凍電鏡結構（3.8埃）；C.Viomycin與核糖體複合物的晶體結構（3.1埃）
以往研究表明，Viomycin能夠抑制核糖體移位（translocation）以及70S核糖體亞基的解離。在移位期間，mRNA和tRNA同時移動位置並伴隨著核糖體大規模的構象變化，包括30S亞基及其頭部結構域（head domain）的旋轉。螢光共振能量轉移（FRET）和化學印記實驗已證明Viomycin結合核糖體後可以將其捕獲到類似移位過程中的雜合中間態狀態（hybrid state），然而這其中的機制還不明確。
圖2 通過解析3.1埃高解析度晶體結構揭示了Viomycin在核糖體上的結合位點及原子水平上的相互作用的分子機制
因此，最重要的科學問題是Viomycin如何誘導核糖體發生大規模構象變化及如何將核糖體穩定在雜合狀態。為了解決這個問題，我們捕獲並解析了Viomycin-核糖體複合物在非經典態（hybrid-state）的cryo-EM（圖1B）和X-ray高解析度結構（圖1C），揭示了Viomycin在核糖體上新的結合位點和作用方式（圖2）。
圖3 Viomycin通過抑制核糖體大小亞基間的構象變化，從而抑制蛋白質翻譯過程
在我們的結構中，一共發現了5個Viomycin的結合位點(圖2)。其中，Vio1通過結合核糖體的解碼區域(decoding site)改變其構象從而影響翻譯的準確性。Vio2結合在30S亞基的head domain和body domain之間影響核糖體移位過程中的構象變化從而抑制翻譯過程。我們還在核糖體大小亞基間連接橋（intersubunit bridges）新發現了3個結合位點，闡明了Viomycin誘導核糖體亞基間的相互旋轉以及抑制亞基間解離的分子機制（圖3）。該工作獲得同行評審專家的高度評價，評審意見中寫道：「The manuscript beautifully describes the molecular features of the 5 viomycin binding sites identified within the ribosome and provides compelling connections to previous resistance and sensitivity studies that help rationalize their potential physiological relevance」,「This manuscript describes a precisely focused set of investigations that aims to gain a deeper understanding of the mechanism by which viomycin influences the process of subunit rotation within the 70S bacterial ribosome to inhibit the mechanism of EF-G-catalyzed translocation. A deeper understanding of viomycin’s mechanism of inhibition may therefore inform on the translocation mechanism.」
綜上，該研究工作全面深入地闡釋了viomycin及tuberactinomycin這類抗生素的作用機理。同時，新發現的多個藥物結合位點為基於結構的新型藥物研發提供了結構基礎，對治療肺結核疾病及解決肺結核藥物耐藥性問題具有重要意義。
該工作得到了國家自然科學基金面上項目（31971226）、浙江省傑出青年科學基金（LR20C050003）、中央高校基本科研業務費專項資金（2018QN81010）等項目的資助。周杰實驗室的博士研究生張玲和王穎慧為論文的共同第一作者，合作者浙江大學冷凍電鏡中心張興教授參與了冷凍電鏡方面的工作，周杰教授和加州大學Santa cruz 分校的Harry Noller教授為該論文的共同通訊作者。