大环内酯类抗生素通过调控核糖体肽基转移酶中心实现序列特异性翻译抑制的结构机制

《Nature Communications》：Structural insights into context-specific inhibition of bacterial translation by macrolides

本研究针对大环内酯类抗生素如何依赖新生肽序列特异性抑制细菌翻译这一关键问题，通过高分辨率X射线晶体学分析了多种核糖体-新生链复合物的结构。研究发现，结合于新生肽出口通道的大环内酯通过诱导肽链倒数第二位精氨酸/赖氨酸构象重排，阻碍A位点氨酰-tRNA的容纳，从而选择性抑制含+X+基序的肽键形成。该机制阐明了抗生素的上下文特异性作用模式，为克服耐药性（如诱导性erm基因表达）的新型药物设计提供了理论基础。

　　

在微生物与抗生素的漫长博弈中，大环内酯类抗生素因其独特的作用机制始终占据重要地位。传统观点认为，这类药物如同“分子塞子”般简单阻塞核糖体的新生肽出口通道，从而全面抑制蛋白质合成。然而，近年研究发现，大环内酯的实际作用远非如此粗暴——它们能像智能狙击手一样，仅针对特定氨基酸序列（如富含精氨酸/赖氨酸的+X+基序）的蛋白质合成实施精准打击，而对其他序列“网开一面”。这种神秘的“上下文特异性抑制”现象背后，是药物、核糖体、新生肽链与氨酰-tRNA之间精妙的分子对话，但其结构基础始终迷雾重重。

为揭开这一谜题，Egor A. Syroegin团队在《Nature Communications》发表了突破性研究。他们通过构建一系列“停滞”与“非停滞”核糖体复合物，首次捕捉到大环内酯诱导翻译停滞的关键瞬间。研究发现，当大环内酯结合于核糖体隧道时，会像操纵木偶般扭转新生肽链倒数第二位精氨酸的构象，使其侧链侵入本应容纳新氨基酸的A位点裂隙。当下一个氨基酸恰为体积大、柔性高的赖氨酸或精氨酸时，其侧链因空间阻碍无法完全展开，导致催化肽键形成的氨基与羧基距离过远，翻译进程就此中断。

研究的关键技术包括：利用天然化学连接制备非水解型肽基-tRNA，通过引物延伸阻滞实验验证序列特异性停滞现象，并采用X射线晶体学解析Thermus thermophilus 70S核糖体复合物结构（分辨率达2.40-2.83 ?）。这些技术共同揭示了药物-核糖体-新生肽动态互作的精细画面。

短ErmDL序列促进停滞与非停滞RNCs分析

通过最小功能性+X+基序（MRLR）排除N端序列干扰，研究发现仅含三个残基的肽链即可介导大环内酯依赖性停滞，证明药物感应无需长肽链参与。

大环内酯阻止赖氨酰-tRNA有效容纳至A位点

结构显示，红霉素或泰利霉素结合于23S rRNA的A2058/A2059区域，诱导P位点肽链的-1精氨酸形成氢键（与G2061/C2452），其侧链部分阻塞A位点裂隙，迫使赖氨酸侧链以“蜷缩”构象存在，氨基距肽基-tRNA羰基碳达4.2 ?，无法有效发动亲核攻击。

大环内酯直接诱导倒数第二位精氨酸的停滞易发构象

无药物条件下，-1精氨酸伸向隧道内部；而药物结合后，其去氧糖胺二甲氨基与精氨酸侧链冲突，迫使后者转向A位点，同时P位点tRNA的A76核糖采取C3'-内折叠构象，破坏质子传递网络，进一步抑制催化。

倒数第二位Arg/Lys残基作为NPET中的大环内酯结合传感器

精氨酸/赖氨酸凭借长柔性侧链充当构象开关：无药物时伸向隧道，有药物时转向A位点。分子模拟表明，芳香族残基（如色氨酸）因刚性无法模仿该构象变化，而小侧链残基（如丙氨酸）则无法与药物发生冲突。

传入的非Lys/Arg残基通过不同机制防止核糖体停滞

当+1位为苯丙氨酸等大体积芳香族氨基酸时，其与A位点裂隙的强亲和力可间接通过-1精氨酸位移大环内酯；而小侧链氨基酸则直接规避空间冲突，两种机制均使翻译继续。

+X+基序的停滞机制归纳

研究最终提出动态竞争模型：大环内酯通过新生肽的-1Arg/Lys间接“遥控”A位点选择性，其作用类似非竞争性抑制——仅当特定序列存在时，药物才通过空间干扰阻断翻译。该机制与氯霉素的序列依赖性抑制具有共性，揭示了核糖体从通用合成机器转化为选择性蛋白质生产者的普适原理。

这项研究不仅破解了长达数十年的科学谜题，更开辟了新型抗生素设计思路：通过理性调控药物与特定肽序列的互作，或可开发出能规避耐药基因激活的“精准抗菌武器”，为应对日益严峻的耐药性挑战提供全新策略。