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在细菌翻译起始过程中，kasugamycin（Ksg）、edeine（Ede）和 GE81112（GE）等抑制剂作用机制未明。研究人员通过解析 30S 起始中间复合物的冷冻电镜结构发现，三者均结合于 30S 的 E 位点阻碍 30S 起始复合物形成，为设计新型抑制剂提供了依据。
在微观的细胞世界里，蛋白质的合成就像一场精密的工厂流水线作业，而翻译起始则是这条流水线的启动按钮。细菌的翻译起始过程，是将 mRNA 的起始密码子识别并结合起始 tRNA（fMet-tRNA
fMet），确定正确的开放阅读框，这一过程离不开三个保守的起始因子 IF1、IF2 和 IF3 的协助。然而，在这场微观的 “生产” 过程中，有一些 “捣乱分子”，即翻译抑制剂，它们会干扰这一精密的流程。
Kasugamycin（Ksg）、edeine（Ede）和 GE81112（GE）就是这类翻译抑制剂。尽管它们早已被发现，但一直以来，科学家们对它们具体的作用机制却知之甚少。此前研究虽然发现 Ksg 能抑制起始 tRNA 与含 mRNA 的 30S 亚基 P 位点的结合，Ede 能抑制起始 tRNA 与原核和真核生物小亚基的结合，GE 能干扰起始 tRNA 与 30S 的结合，但由于缺乏高分辨率的结构研究，这些抑制剂在翻译起始过程中的精确作用步骤和详细机制仍是谜团。这就好比知道了某些工具会影响工厂生产，但却不清楚它们具体是在哪个环节、以何种方式发挥作用的。这种不确定性限制了科学家们开发更有效的抗菌药物，也阻碍了对细菌翻译起始过程的深入理解。
为了揭开这些谜团，来自德国汉堡大学、秘鲁应用科学大学等研究机构的研究人员开展了一项深入研究。他们通过冷冻电镜（cryo-EM）技术，解析了在 Ksg、Ede 和 GE 存在下大肠杆菌 30S 起始中间复合物的结构，分辨率达到 2.0 - 2.9 ?。研究结果发表在《Nature Communications》上，为我们深入理解这些抗生素的作用机制提供了关键线索。
在研究方法上，研究人员主要运用了冷冻电镜技术。他们先纯化了核糖体、mRNA、tRNA 和起始因子，制备了含有抗生素的 30S 核糖体复合物，将这些复合物制备成冷冻电镜样品，在冷冻电镜下进行数据采集，随后利用相关软件对采集到的数据进行处理和分析，从而得到复合物的高分辨率结构。
研究结果方面：
- Cryo-EM 结构解析：研究人员分别解析了 Ksg - 30S、Ede - 30S 和 GE - 30S 起始复合物的冷冻电镜结构。在 Ksg - 30S 结构中，Ksg 结合在 16S rRNA 的螺旋 23（h23）顶端，与之前在空 30S 或 70S 核糖体上观察到的结合位点一致。Ede - 30S 结构显示，Ede 结合在 16S rRNA 的 h23 和 h24 顶端，且其结合位置与之前在嗜热栖热菌 30S 上观察到的不同，但与酵母 80S 上的相似。GE - 30S 结构表明，GE 结合在 30S 的 E 位点，与 16S rRNA 的多个核苷酸以及核糖体蛋白 uS11 相互作用。
- 对 mRNA 路径的影响：Ksg 虽然对 mRNA 与 30S 亚基的结合影响较小，但会改变 mRNA 通过 A、P 和 E 位点的路径，导致其与起始 tRNA 结合间接受到干扰。Ede 结合在 mRNA 路径上，阻碍了 mRNA 进入 A、P 和 E 位点，从而间接抑制起始 tRNA 的结合。GE 同样干扰了 mRNA 的路径，使得起始 tRNA 虽然能够识别起始密码子，但阻碍了 IF3 的离开，进而影响了 70S 起始复合物（70S - IC）的形成。
- 对 30S - IC 形成的抑制：研究发现，Ksg 和 Ede 主要阻碍起始 tRNA 与 30S 的稳定结合，使 30S 头部保持开放构象，起始 tRNA 无法正确容纳，从而抑制 30S 起始复合物（30S - IC）的形成。而 GE 虽然允许起始 tRNA 与起始密码子配对，使 30S 头部转变为闭合构象，但阻止了 IF3 C 末端结构域（CTD）的离开，进而抑制了 50S 亚基与 30S - IC 的结合，最终阻碍了 70S - IC 的形成。研究人员通过光散射实验直接验证了这三种抗生素均能显著降低 70S - IC 形成的动力学和效率。
研究结论和讨论部分指出，Ksg、Ede 和 GE 均结合在 30S 亚基的 E 位点，且结合位置与 mRNA 重叠。它们通过干扰 mRNA 在 E 位点的路径，间接影响起始 tRNA 在 P 位点的容纳。尽管三者作用机制相似，但由于化学结构和结合模式的差异，它们在与 mRNA 的重叠程度以及对 30S 构象的影响上存在不同。这一研究成果为设计更有效的翻译抑制剂提供了结构基础，例如可以根据这些抗生素的结合位点设计新型化合物，有望开发出更具针对性的抗菌药物。同时，也为深入理解细菌翻译起始过程提供了重要依据，有助于科学家们进一步探索蛋白质合成的奥秘，为未来的生物学研究和药物研发开辟新的道路。
