Ετέρωση, γνωστή επίσης ως υβριδική ευφορία, αναφέρεται στην φαινοτυπική ανωτερότητα ενός ετερόζυγου υβριδίου σε σύγκριση με τους ομόζυγους γονείς του. Πρόσφατες πρόοδοι στην χαρτογράφηση γενετικών τόπων ποσοτικών χαρακτήρων σε Saccharomyces cerevisiae έχουν αποκαλύψει αρκετούς στόχους που συνδέονται με την ετέρωση, όπως το γονίδιο που κωδικοποιεί την ριβοσωματική πρωτεΐνη L39. Για να διερευνήσουμε περαιτέρω τη δυνητική επίδραση της ετέρωσης στην ευκαρυωτική πρωτεϊνική σύνθεση, χρησιμοποιήσαμε τα ομοζυγωτικά γονικά στελέχη 6x6 και BYxBY, σε σύγκριση με τα υβρίδια 6xBY και 6xBY6, και το ημιζυγωτικό στέλεχος Δ6xBY στο οποίο λείπει ένα από τα δύο αλληλόμορφα του γονιδίου. Μετά από πειράματα in vitro, ελέγξαμε την poly(U) εξαρτώμενη δραστηριότητα πολυμερισμού φαινυλαλανίνης, τη μεταφραστική πιστότητα, τη δραστικότητα της πεπτιδυλοτρανσφεράσης και επιπλέον την ευαισθησία έναντι του αντιβιοτικού κυκλοεξιμίδιο. Σύμφωνα με τα στοιχεία μας, τόσο τα υβριδικά στελέχη όσο και το ημιζυγωτικό στέλεχος έδειξαν αυξημένη συχνότητα λάθους, ενώ η δράση της ΡΤάσης παρουσίασε σημαντική αύξηση μόνο στην περίπτωση του υβριδικού στελέχους 6xBY. Επιπλέον, η ανθεκτικότητα έναντι του κυκλοεξιμιδίου ήταν αυξημένη για όλα σε σύγκριση με τα γονικά στελέχη, υποδεικνύοντας ότι η ετέρωση μπορεί να συνδέεται απ 'ευθείας με τον μηχανισμό της πρωτεϊνοσύνθεσης, ανοίγοντας έτσι ένα άλλο νέο παράθυρο για να διερευνηθεί περαιτέρω αυτό το σημαντικό φαινόμενο. / Heterosis, known also as hybrid vigor, refers to the phenotypic superiority of an heterozygous hybrid compared to its homozygous parents. Recent advances in quantitative trait loci (QTL) mapping in Saccharomyces cerevisiae have uncovered several targets associated with heterosis, such as the gene encoding ribosomal protein L39 (RPL39 or spb2)(?). To further explore the potential effect of heterosis on eukaryotic protein synthesis, we used the homogygous parental strains 6x6 and BYxBY, in comparison to hybrids 6xBY and 6xBY6, and the hemizygous strain Δ6xBY lacking one of the two alleles of RPL39 (spb2). Following in vitro experiments, we tested the poly(U) dependent phenylalanine polymerization activity, the translational fidelity, the peptidyl-transferase activity and additionally the susceptibility versus the antibiotic cycloeximide. According to our data, both hybrid and hemizygous strains showed increased error frequency while the PTase activity exhibited significant increase only in the case of the hybrid strain 6xBY. Moreover, the immunity versus the antibiotic cycloeximide was increased for all compared to the parental strains, indicating that heterosis may be directly associated with protein synthesis machinery, thus opening another new window to explore further this important phenomenon.

Η ανάπτυξη των ανθρώπινων δραστηριοτήτων έχει οδηγήσει τα τελευταία χρόνια στην παραγωγή και απελευθέρωση πολλών τοξικών ουσιών στο θαλάσσιο περιβάλλον. Τα δίθυρα μαλάκια, όπως το Mytilus galloprovincialis, μπορούν να συσσωρεύουν ένα μεγάλο εύρος ρυπαντών και να αποκρίνονται με ποικίλες αλλαγές στη φυσιολογία τους, οι οποίες μπορούν να μετρηθούν ως βιοδείκτες έκθεσης ή αποτελέσματος. Το περιβαλλοντικό stress ωθεί πολλούς οργανισμούς στην αρνητική ρύθμιση της πρωτεϊνοσύνθεσης, αποθηκεύοντας ανενεργά ριβοσώματα, τα οποία επανενεργοποιούνται ταχέως όταν οι συνθήκες βελτιωθούν. Έτσι, ένας αποτελεματικός τρόπος εκτίμησης της απόκρισης των οργανισμών στο μολυσματικό stress, είναι η ανάλυση της κατάστασης ριβοσωμικής συσσώρευσης, όπως επίσης και η ικανότητα των ριβοσωμάτων για έναρξη της πρωτεϊνικής σύνθεσης, που αντανακλούν την κατάσταση της μεταφραστικής ενεργότητας. Στην παρούσα μελέτη έγινε εκτίμηση των επιπέδων ρύπανσης του Πατραϊκού Κόλπου, καταποντίζοντας μύδια (M. galloprovincialis) σε δύο σταθμούς στον Πατραϊκό Κόλπο και μία περιοχή αναφοράς. Ο Σταθμός 1 βρίσκεται στις εκβολές του ποταμού Γλαύκου και είναι υπό την επίδραση βιομηχανικών, αγροτικών και αστικών πηγών ρύπανσης. Ο Σταθμός 2 βρίσκεται στον Άγιο Βασίλειο, παρ’ ότι δε φέρει οργανική μόλυνση, έχει αυξημένα επίπεδα βαρέων μετάλλων και κυρίως Cr. Η περιοχή αναφοράς βρίσκεται κοντά στο Γαλαξείδι και δεν επηρεάζεται από πηγές ρύπανσης. Για την εκτίμηση των επιπέδων ρύπανσης στις περιοχές αυτές, εφαρμόστηκε μία σειρά βιοδεικτών που περιλαμβάνει το περιεχόμενο μεταλλοθειονινών, τη σταθερότητα της λυσοσωμικής μεμβράνης και τη συχνότητα μικροπυρήνων. Επίσης, προσδιορίστηκε η συγκέντρωση μετάλλων στο νερό και στους ιστούς των μυδιών, όπως επίσης και το ποσοστό πολυσωμάτων και η ικανοτητα των ριβοσωμάτων για έναρξη της μετάφρασης σε κύτταρα πεπτικού αδένα. Επιπλέον, έγινε στατιστική εκτίμηση της συσχέτισης μεταξύ των επιπέδων ρύπανσης και των εξεταζόμενων βιοδεικτών. Η ανάλυση των βιοδεικτών έδειξε οτι υπάρχει μία διαφοροποίηση στα επίπεδα ρύπανσης ανάμεσα στις διαφορετικές περιοχές του Πατραϊκού Κόλπου, με το μεγαλύτερο βαθμό ρύπανση να εντοπίζεται στο Σταθμό 1. Οι εποχιακές διακυμάνσεις που παρατηρούνται στις τιμές των βιοδεικτών μπορούν να αποδοθούν σε εξωγενείς παράγοντες, όπως τα επίπεδα της ρύπανσης και/ή σε ενδογενείς παράγοντες, όπως ο αναπαραγωγικός κύκλος των μυδιών. Η στατιστική επεξεργασία των αποτελεσμάτων έδειξε οτι υπάρχει σημαντική συσχέτιση (θετική ή αρνητική ανάλογα με το βιοδείκτη) μεταξύ των επιπέδων ρύπανσης και των βιοδεικτών. Το χαμηλότερο πολυσωμικό περιεχόμενο σε συνδυασμό με τη μειωμένη ικανότητα των ριβοσωμάτων για έναρξη της μετάφρασης που παρατηρήθηκε στο Σταθμό 1, καταδεικνύει την επίδραση του περιβαλλοντικού stress στην πρωτεϊνική σύνθεση στην περιοχή αυτή και εισηγείται τη χρήση των διαταραχών της μετάφρασης ως εργαλείο σε μελέτες βιοπαρακολούθησης. Τα παρόντα δεδομένα σε σύγκριση με εκείνα των τελευταίων πέντε ετών αποκαλύπτουν μία προοδευτική μείωση των επιπέδων ρύπανσης του Πατραϊκού Κόλπου, οφειλόμενη πιθανώς στην απομάκρυνση πολλών εργοστασίων από την περιοχή, και στη λειτουργία σταθμού βιολογικού καθαρισμού. / The rapid increase of anthropogenic activities has led to the production and release of several harmful compounds into the marine environment. Bivalve mollusks such as Mytilus galloprovincialis, are able to accumulate in their tissues a wide range of pollutants and respond in a broad range of alterations that can be measured as exposure or effect biomarkers. Such changes are usefull warning tools in marine environment monitoring. Environmental stress forces many organisms to downregulate translation by storing inactive ribosomes, which are rapidly reactivated when conditions improve. Therefore, an effective way to reveal responses to pollution stress is to analyse the aggregation state of ribosomes which reflects the translational efficiency status. Parallel determination of the capability of ribosomes to initiate protein synthesis may help to understand the mechanism of translation downregulation. In the present study, the pollution status of Patraikos Gulf was assessed by caging mussels (M. galloprovincialis) in two stations of the gulf and in a reference area. Station 1 was near the estuaries of Glafkos River, influenced by industrial, agricultural and urban sources. Station 2 located in Agios Vassileios, had no apparent organic pollution, but was enriched in heavy metals, particularly Cr. Reference area was near Galaxidi, far from pollution sources. To verify the degree of pollution in these areas, a battery of biomarkers was assessed, including metallothionein content, lysosomal membrane stability and micronucleus frequency. In addition, metal ion concentrations in the surrounding waters and in mussel tissues as well as polysome content and the efficiency of ribosomes to initiate translation in digestive gland cells were estimated. Furthermore, an effort was made to reveal the correlation between pollution and the employed biomarkers. Biomarker analysis revealed a differentiation in the degree of pollution among different sites of Gulf of Patras. Seasonal variations in the mean values of the biomarkers can be attributed to exogenous factors, like pollution levels, and/or endogenous factors like reproductive cycle of the mussels. Statistical analysis of the data showed a significant correlation (positive or negative, depending on the biomarker) between the pollution levels and the biomarkers.The lower polysome content in combination with the reduced efficiency of the ribosomes to initiate translation observed in Station 1, indicates the effects of pollution stress on protein synthesis in this area and encourages the evaluation of the translational perturbations as a tool in biomonitoring studies. The present data, compared to those collected the past five years, reveal a progressive pollution depression in Patraikos Gulf, propably caused by the removal of many factories previously contaminating this area, and the recent operation of a local sewage cleaning station.

Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε ο ρόλος στην ευκαρυωτική πρωτεϊνοσύνθεση των μεταλλάξεων rdn15 (A149G), η οποία βρίσκεται στο κέντρο αποκωδικοποίησης του ριβοσώματος του S. cerevisiae και sup45-R2ts, η οποία είναι εξωριβοσωματική και αφορά στην αντικατάσταση της προλίνης από αλανίνη στην θέση 86 του Τομέα 1 του eRF1. Η μελέτη έγινε με τη βοήθεια των αντιβιοτικών εδεΐνης, η οποία είναι ένας αναστολέας της έναρξης της μετάφρασης, και πακταμυκίνης, η οποία είναι ένας αναστολέας της μετατόπισης. Η μετάλλαξη rdn15 στον S.cerevisiae οδηγεί σε μικρή αύξηση του χρόνου διπλασιασμού των κυττάρων, ενώ επηρέασε μόνο ελαφρώς την πρωτεϊνοσυνθετική ενεργότητα του ριβοσώματος. Τα αποτελέσματα αυτά είναι συμβατά με το γεγονός της φυσιολογικής παρουσίας της γουανίνης στη θέση 1491 στους προκαρυώτες και σε κατώτερους ευκαρυώτες. Η παρουσία της μετάλλαξης rdn15 δεν επηρέασε σημαντικά την πιστότητα, αν και η τάση ήταν η απόδοση στα ριβοσώματα ενός ελαφρά υπερακριβούς χαρακτήρα. Η μετάλλαξη sup45-R2ts στον eRF1 φάνηκε να επιβραδύνει την ανάπτυξη των κυττάρων διπλασιάζοντας σχεδόν τον χρόνο διπλασιασμού τους. Το αποτέλεσμα αυτό θα μπορούσε να οφείλεται σε καταστολή των κωδικίων λήξης αλλά και σε επαγωγή μεταφραστικών λαθών από τον μεταλλαγμένο παράγοντα τερματισμού. Η παρουσία της μετάλλαξης sup45-R2ts in vitro επηρέασε μόνο ελαφρά την πρωτεΐνοσυνθετική ενεργότητα του ριβοσώματος, ενώ αντιθέτως μείωσε σημαντικά τη μεταφραστική πιστότητα, αυξάνοντας τη Συχνότητα Λάθους του ριβοσώματος. Το αντιβιοτικό εδεΐνη αναστέλλει την ανάπτυξη τόσο των αγρίου τύπου και όσο και των μεταλλαγμένων στελεχών, ενώ όλα τα στελέχη εμφανίζουν όμοια ευαισθησία έναντι της εδεΐνης. Ο S. cerevisiae εμφανίζει παρόμοια ευαισθησία έναντι της εδεΐνης in vivo με αυτήν του E.coli . Αναδεικνύεται έτσι ότι και στο ευκαρυωτικό κύτταρο του S. cerevisiae , οι βάσεις με τις οποίες αλληλεπιδρά η εδεΐνη έχουν τον ίδιο λειτουργικό ρόλο, όπως και στο προκαρυωτικό ριβόσωμα. Η εδεΐνη μειώνει την πρωτεϊνοσυνθετική ενεργότητα του ριβοσώματος του S. cerevisiae σε in vitro σύστημα μετάφρασης ελεύθερο κυττάρων, όπου τόσο το αγρίου τύπου όσο και τα μεταλλαγμένα στελέχη επέδειξαν παρόμοια ευαισθησία στη δράση της εδεΐνης Η έλλειψη διαφοροποίησης ανάμεσα στο αγρίου τύπου και τα μεταλλαγμένα στελέχη, μπορεί να ερμηνευθεί από το γεγονός ότι οι συγκεκριμένες μεταλλάξεις δεν εμπλέκονται στη διαδικασία της έναρξης της πρωτεϊνοσύνθεσης, που είναι ο κύριος στόχος της εδεΐνης. Η επίδραση της εδεΐνης στη μεταφραστική πιστότητα μετρήθηκε με τη Συχνότητα Λάθους (Σ.Λ.). Η εδεΐνη ελαττώνει την πιστότητα της μετάφρασης στον ίδιο βαθμό περίπου στο ευκαρυωτικό όσο και στο προκαρυωτικό ριβόσωμα, η δράση της όμως διαφοροποιείται μεταξύ των στελεχών. Το υπερακριβές στέλεχος επέδειξε ελαφρώς μικρότερη ευαισθησία στην επαγωγή μεταφραστικών λαθών από την εδεΐνη σε σχέση με το αγρίου τύπου, ενώ αντιθέτως, το επιρρεπές σε λάθη στέλεχος εμφανίστηκε εξαιρετικά ευαίσθητο στην επαγωγή λαθών από την εδεΐνη σε σχέση με το αγρίου τύπου. Φαίνεται λοιπόν ότι η δράση της εδεΐνης στην πιστότητα ακολουθεί το χαρακτήρα της μετάλλαξης. Το αντιβιοτικό πακταμυκίνη αναστέλλει την ανάπτυξη in vivo των αγρίου τύπου και των μεταλλαγμένων στελεχών. Ο S.cerevisiae εμφανίζει παρόμοια ευαισθησία έναντι της πακταμυκίνης in vivo με αυτήν του E.coli , ενώ οι υπό μελέτη μεταλλάξεις δεν επηρεάζουν την ευαισθησία των κυττάρων έναντι της πακταμυκίνης. Αυτό μπορεί να οφείλεται στο γεγονός ότι τόσο η rdn15 μετάλλαξη στο κέντρο αποκωδικοποίησης όσο και η sup45-R2ts στον eRF1 δεν παρεμβαίνουν στη διαδικασία της μετατόπισης κατά τη μετάφραση, η αναστολή της οποίας αποτελεί τον κύριο τρόπο δράσης της πακταμυκίνης. Η πακταμυκίνη προκαλεί αναστολή σύνθεσης πολυφαινυλαλανίνης in vitro τόσο σε χαμηλές όσο και σε υψηλές συγκεντρώσεις σε όλα τα στελέχη. Το αποτέλεσμα αυτό έρχεται σε αντίθεση με αυτό που ισχύει στο προκαρυωτικό κύτταρο, όπου η πακταμυκίνη διεγείρει τη σύνθεση πολυφαινυλαλανίνης (Dinos et al., 2004). Η πακταμυκίνη ακόμη και σε υψηλές συγκεντρώσεις δεν προκάλεσε σημαντικές μεταβολές στη Συχνότητα Λάθους του στελέχους αγρίου τύπου, ούτε στο υπερακριβές υπόβαθρο του rdn15 και στο επιρρεπές στα λάθη υπόβαθρο του sup45rdnwt. Το αποτέλεσμα αυτό δεν επιβεβαιώνει την υπερακρίβεια που προκαλεί στα προκαρυωτικά αλλά και δεν την αναιρεί. Η ταυτόχρονη παρουσία των δύο αντιβιοτικών ανέστειλε τη σύνθεση πολυφαινυλαλανίνης σε αντίθεση με το πρωκαρυωτικό (Dinos et al., 2004), ακόμη και όταν η πακταμυκίνη χρησιμοποιήθηκε σε μεγάλη περίσσεια επί της εδεΐνης. Η ταυτόχρονη παρουσία των δύο αντιβιοτικών δεν έδειξε να μεταβάλλει το χαρακτήρα της αναστολής. Τα αποτελέσματα αυτά συνηγορούν υπέρ μιας αθροιστικής δράσης των δύο αντιβιοτικών και αποκλείουν τη συνεργατικότητά τους στη σύνθεση πολυφαινυλαλανίνης από το ευκαρυωτικό ριβόσωμα. Κατά την ταυτόχρονη παρουσία ακόμη και μεγάλης περίσσειας πακταμυκίνης η εδεΐνη εξακολουθεί να προκαλεί αύξηση στη Συχνότητα Λάθους που προσομοιάζει με αυτήν που παρατηρείται κατά την παρουσία εδεΐνης μόνο. Η αλληλεπίδραση των αντιβιοτικών στην πιστότητα της μετάφρασης είναι όμοια με αυτήν που παρατηρείται στο προκαρυωτικό ριβόσωμα. / In the present study we investigated the role of two mutations, rdn15 and sup45-R2ts, in eukaryotic protein synthesis. The former is substitution A1491G and it is located in the decoding center of the S. cerevisiae ribosome. The latter is extraribosomal and involves the substitution of proline by alanine in position 86 of Domain 1 of eukaryotic release factor eRF1. These strains were then employed for the study of the mode of action of two antibiotics, edeine and pactamycin, in eukaryotic protein synthesis. In bacterial cells, edeine has been characterized as an inhibitor of translation initiation, whereas pactamycin was recently found to act as a translocation inhibitor. Mutation rdn15 leads to a slight increase of doubling times but it has no significant effect on translational fidelity although there was a slight increase of the latter indicated by slightly lower error frequencies. It should be noted that guanine is naturally present in position 1491 of prokaryotic 16S rRNA. Thus, the lack of severe impairment of ribosomal function by mutation rdn15 shows that the nature of nucleotide 1491 is not essential for ribosomal function but may be useful in the fine tuning of ribosomal activity. Omnipotent suppressor mutation sup45-R2ts in eRF1 leads to a significant increase of doubling times, almost by a factor of 2 compared to the wild type strain. This might be a result of the suppression of nonsense codons or, in our case, an increase in misincorporation of amino acids during elongation. The presence of the sup45-R2ts mutation affected marginally the synthesis of polyphenylalanine in vitro. On the contrary, it remarkably reduced translational fidelity, increasing the Error Frequency. Edeine inhibits the growth of the wild type as well as the mutant strains. All strains exhibited similar sensitivity towards edeine. Moreover, this sensitivity of S. cerevisiae cells towards edeine is similar to the sensitivity of E. coli cells towards edeine. This could indicate that the RNA bases of the yeast ribosome, with which edeine interacts, have a similar functional role as in the prokaryotic one. Edeine reduces the amount polyphenylalanine synthesis in a cell-free in vitro system and it was found that all the strains exhibit the same sensitivity towards edeine. The lack of effect may be attributed to the fact that these mutations are not involved in the initiation of translation, which is the primary target of edeine. The effect of edeine in the translational fidelity was estimated by the error frequency. Edeine highly reduces translational fidelity in the eucaryotic ribosome, almost as much as in the prokaryotic one, but differentially between the wild type strain of S. cerevisiae and the mutant strains. The hyperaccurate strain exhibited less translational errors in the presence of edeine in comparison to the wild type strain. On the contrary, the error prone strain was very sensitive and displayed a very high translational error rate. It appears that the effect of edeine in fidelity is in line with the character of the mutation. Pactamycin suppressed the growth of both the wild type and the mutant strains in vivo. S. cerevisiae exhibits a similar sensitivity as E. coli in the effect of pactamycin in vivo, whereas the mutations under study did not affect the sensitivity of the cells. This could be attributed to the fact that mutation rdn15 in the decoding center and sup45-R2ts in eRF1 do not affect translocation during translation, which is the primary target of pactamycin. Pactamycin, both at low and high concentrations, suppresses the synthesis of polyphenylalanine in vitro in all the strains under study. This result is in contrast with the effect of pactamycin in the prokaryotic cell, where pactamycin increases polyphenylalanine synthesis (Dinos et al., 2004). Pactamycin, even at high concentrations, did not have severe effects in the error frequency of the wild type strain or in that of the hyperaccurate rdn15 strain or in that of the error-prone sup45rdnwt strain. This result does not agree with the hyperaccuracy that pactamycin induces in prokaryotes but does not come in contrast to it either. In the presence of both edeine and pactamycin the synthesis of polyphenylalanine was reduced, in contrast with what is observed in the prokaryotic ribosome (Dinos et al., 2004), even when pactamycin was used in higher concentrations than edeine. Thus, the simultaneous presence of both antibiotics does not seem to alter the character of the inhibition. These results are in favor of an additive effect of these antibiotics. Moreover, in the presence of high pactamycin concentrations, edeine induces a decrease in translational fidelity which is similar to that in the presence of edeine alone. The effects of these two antibiotics on the fidelity of translation are similar to those observed in the prokaryotic ribosome.

Το ριβόσωμα παρέχει την πλατφόρμα πάνω στη οποία το mRNA αναγνωρίζεται και αποκωδικοποιείται από τα μεταφορικά RNAs. Δρα καταλυτικά ως ριβοένζυμο και συνθέτει την αντίστοιχη αλληλουχία αμινοξέων. Σημαντικά λειτουργικό κομμάτι του ριβοσώματος αποτελεί το τούνελ εξόδου, το οποίο βρίσκεται στη μεγάλη υπομονάδα του ριβοσώματος και αποτελεί το κανάλι, μέσω του οποίου οι νεοσυντιθέμενες πεπτιδικές αλυσίδες εξέρχονται στο κυτταροδιάλυμα. Νεότερες ερμηνείες προσδίδουν στο τούνελ εξόδου έναν πιο ενεργό ρόλο, καταδεικνύοντας τη σπουδαιότητά του όχι μόνο ως διάδρομος εξόδου της πεπτιδικής αλυσίδας, αλλά και ως λειτουργική περιοχή του ριβοσώματος με σημαντικό ρόλο στη ρύθμιση της πρωτεϊνικής σύνθεσης. Το δίκτυο επικοινωνίας μεταξύ τούνελ και πεπτιδυλοτρανσφεράσης δεν έχει ακόμα χαρτογραφηθεί και μελετηθεί πλήρως, υπάρχουν όμως μέχρι στιγμής πολυπληθείς αναφορές που επιβεβαιώνουν ότι μέρος του αποτελούν κυρίως βάσεις του 23S rRNA, συστατικά του τοιχώματος της εισόδου στο τούνελ, και βάσεις ευρισκόμενες στο κέντρο της πεπτιδυλοτρανσφεράσης, συντηρημένες εξελεικτικά, γνωστές από την αλληλεπιδρασή τους με αναστολείς της πεπτιδυλοτρανσφεράσης και κυρίως με αναστολείς της οικογένειας των μακρολιδίων. Στην παρούσα διατριβή μελετήσαμε την αλληλεπίδραση των χαρακτηριστικών αυτών βάσεων που συγκροτούν το δίκτυο επικοινωνίας μεταξύ του τούνελ εξόδου και της πεπτιδυλοτρανσφεράσης με τη βοήθεια νέων μακρολιδίων τρίτης γενιάς, των κετολιδίων, που φέρουν επί πλέον και άτομα φθορίου, παρέχοντας έτσι στο μόριο μεγαλύτερη συγγένεια για φορτισμένες ομάδες. Σύμφωνα με τα αποτελέσματά μας, αποτελούν εξαιρετικά υποσχόμενους αντιμικροβιακούς θεραπευτικούς παράγοντες, και αναστέλλουν ισχυρά την μετάφραση. Παράλληλα καταλαμβάνουν αμοιβαία αποκλειόμενες θέσεις στο ριβόσωμα, στην είσοδο του τούνελ, αλληλεπιδρώντας με τις βάσεις Α2058, Α2059, Α2062 και Α752. Επειδή όλες οι παραπάνω βάσεις αποτελούν μέρος του δικτύου επικοινωνίας τούνελ-πεπτιδυλοτρανσφεράσης, θα μπορούσαμε να συμπληρώσουμε τον ήδη υπάρχοντα μηχανισμό δράσης των μακρολιδίων (drop-off, λόγω αύξησης της koff) με την επικοινωνία του τούνελ με την πεπτιδυλοτρανσφεράση, ώστε να απενεργοποιηθεί η τελευταία με τελική κατάληξη τη διακοπή της πρωτεϊνικής σύνθεσης και την επαγωγή του drop-off. Για την περαιτέρω μελέτη της αλληλεπίδρασης του τούνελ με την νεοσυντιθέμενη πεπτιδική αλυσίδα, σχεδιάσθηκαν νέα πεπτιδυλο παράγωγα της χλωραμφανικόλης, τα οποία προσομοιάζουν πεπτιδυλο-tRNAs προσδεδεμένα στην Α-θέση του ριβοσώματος, με την ολιγοπεπτιδική αλληλουχία να εκτείνεται βαθύτερα στο τούνελ, υιοθετώντας μία ανοικτή διαμόρφωση. Όπως διαπιστώσαμε με συναγωνιστικές μελέτες με ραδιενεργό ερυθρομυκίνη, τα συγκεκριμένα ανάλογα καταλαμβάνουν την Α-θέση στο κέντρο της πεπτιδυλοτρανσφεράσης, ενώ η συγγένεια του κάθε αναλόγου ως αναστολέα της λειτουργίας του ριβοσώματος, είναι απόλυτα ιδιοσυγκρατική, καθώς εξαρτάται από την αλληλουχία των αμινοξέων που συγκροτούν το πεπτίδιο. Μελετώντας το αποτύπωμα των ενώσεων αυτών στο ριβόσωμα, διαπιστώσαμε ότι ενώ η βάση της χλωραμφαινικόλης διατηρεί τη θέση της στη περιοχή Α, το πεπτίδιο εισέρχεται βαθειά στην είσοδο του τούνελ, αλληλεπιδρώντας με την βάση Α752. Συνεπώς τα πεπτιδυλο ανάλογα της χλωραμφαινικόλης, τα οποία συμπεριφέρονται ως ισχυροί αναστολείς της μετάφρασης, αποτελούν κατάλληλα εργαλεία μελέτης της αλληλεπίδρασης μεταξύ της νεοσυντιθέμενης πεπτιδικής αλληλουχίας και στοιχείων του τούνελ εξόδου του ριβοσώματος. / Ribosomes translate the genetic code into proteins in all living cells with extremely high efficiency, owing to their inherent flexibility and to their spectacular architecture. These large ribonucleoprotein particles synthesize proteins in all cells, using messenger RNA as the template, confirming that the ribosome is indeed a ribozyme, and aminoacyl-transfer RNAs as substrates. As the nascent polypeptide chain is being synthesized, it passes through a tunnel within the large ribosomal subunit and emerges at the solvent side where protein folding occurs. New studies indicate that in some cases, the tunnel plays a more active role. Accumulated evidence had definitely concluded that ribosomal tunnel is not only a passive conduit for the nascent chains but a rather functionally important compartment, where specific peptide sequences establish direct interactions with the tunnel, talking back to the ribosome in order to regulate peptide synthesis, leading to translational stalling. In this study, we have investigated functional interactions between distinct locations of the ribosomal tunnel and specific residues of the peptidyltransferase, using new macrolides, known as ketolides, which carry also fluorine attached to the lactone ring either directly or indirectly. According to our results, the new antibiotics exhibited better antimicrobial activity, inhibiting strongly the translational apparatus and could be useful tools in the future for treatment of bacterial infections. Binding studies with radiolabeled erythromycin revealed that these drugs bound competitively with erythromycin at the large ribosomal subunit, with extremely low dissociation constants. In parallel, RNA footprinting indicated that the new ketolides occupy the main macrolide binding site in the ribosome, which is located at the entrance of the exit tunnel adjacent to the peptidyltransferase center. These drugs interact with A2058, A2059 and A2062, as well as their extended heteroaromatic alkyl-aryl side chain penetrates deeper in the tunnel protecting A752 of Helix 35, interacting with basepair A752-U2609. To explore further this interaction, we have synthesized new peptidyl conjugates of chloramphenicol, which resemble nascent peptidyl-tRNA chains bound to the A-site of the ribosome, with their peptide sequence located deeper within tunnel, adopting an extended configuration. According to our data, these compounds did indeed bind to the peptidyl transferase center, competing with radiolabelled- chloramphenicol for binding to the ribosome. The binding of each analog, as well as its inhibitory activity of ribosomal function, is absolutely idiosyncratic, depending on the sequence of amino acid of peptide moiety. Studying the footprinting pattern of these compounds on the ribosome, we confirmed that while the chloramphenicol base maintains its position on the A-site, the peptide moiety penetrates deeper in the entrance of the exit tunnel, interacting with nucleotide A752. Therefore, we believe that these chloramphenicol peptides could be useful tools for probing nascent polypeptide chain interaction with the ribosome.

Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκε ο ρόλος της έλικας h44 του 18S rRNA του Saccharomyces cerevisiae επί διαφόρων παραμέτρων της πρωτεϊνικής σύνθεσης. Η μελέτη διεξήχθη με την βοήθεια των σημειακών μεταλλάξεων A1491G (rdn15) και U1495C (rdnhyg1), οι οποίες εντοπίζονται στην Α-θέση του ριβοσώματος. Η μετάλλαξη rdn15 επιδρά ήπια στον ρυθμό ανάπτυξης των κυττάρων ενώ τα rdn15 ριβοσώματα επιτελούν την πρωτεϊνοσύνθεση με αυξημένη ακρίβεια. Η έλλειψη σοβαρών επιπτώσεων παρουσία της rdn15 φανερώνει ότι το νουκλεοτίδιο 1491 δεν παίζει καθοριστικό ρόλο στην λειτουργία του ριβοσώματος. Τα κύτταρα ζύμης που φέρουν την μετάλλαξη rdnhyg1 αναπτύσσονται βραδύτερα από τα κύτταρα αγρίου τύπου, ενώ τα rdnhyg1 ριβοσώματα πρωτεϊνοσυνθέτουν με ελαφρώς αυξημένη συχνότητα λάθους. Η μετάλλαξη αυξάνει επίσης την συγγένεια της Α-θέσης του ριβοσώματος για το αμινοακυλο-tRNA και επιδρά αρνητικά στο στάδιο της μετατόπισης, χωρίς να επηρεάζει την ενεργότητα πεπτιδυλοτρανσφεράσης. Η επίδραση της μετάλλαξης rdnhyg1 επί διαφόρων παραμέτρων της πρωτεϊνοσύνθεσης δικαιολογεί την συντήρηση της U1495 κατά την εξέλιξη. Η μετάλλαξη sup45-R2ts εντοπίζεται στο γονίδιο που κωδικοποιεί τον παράγοντα τερματισμού eRF1 και οδηγεί στην αντικατάσταση της προλίνης 86 από αλανίνη. Η μετάλλαξη δεν επηρεάζει τις περισσότερες από τις λειτουργίες του ριβοσώματος που εξετάστηκαν, αλλά μειώνει την μεταφραστική πιστότητα. Σε κύτταρα που φέρουν ταυτόχρονα την μετάλλαξη sup45-R2ts και την ριβοσωματική μετάλλαξη rdn15, η συχνότητα λάθους αυξάνεται σε βαθμό μεγαλύτερο από την αθροιστική επίδραση των δύο επιμέρους μεταλλάξεων, επιβεβαιώνοντας μια ιδιαίτερη αλληλεπίδραση του μεταλλαγμένου παράγοντα eRF1 με τα rdn15 ριβοσώματα, που, όπως προκύπτει, αντιστρέφει τον υπερακριβή χαρακτήρα των μεταλλαγμένων ριβοσωμάτων. Όταν η μετάλλαξη sup45-R2ts συνυπάρχει με την ριβοσωματική μετάλλαξη rdnhyg1 η συχνότητα λάθους δεν επηρεάζεται σημαντικά. Η rdnhyg1 φαίνεται να ελαχιστοποιεί την επίδραση του μεταλλαγμένου παράγοντα eRF1 ενισχύοντας την δράση GTPάσης του eRF3. Τα παραπάνω αποτελέσματα φανερώνουν επιπλέον ότι η sup45 δύναται να μεταβάλει τις ιδιότητας ορισμένων μεταλλάξεων κατά την ριβοσωματική λειτουργία. Το στέλεχος που φέρει την μετάλλαξη rdn15 είναι πολύ ευαίσθητο έναντι της παρομομυκίνης αλλά και έναντι της τομπραμυκίνης, αν και σε μικρότερο βαθμό. Τα αποτελέσματα αυτά αποδίδονται στην ικανότητα της μετάλλαξης να αυξάνει την συγγένεια της Α-θέσης του ριβοσώματος για τα εν λόγω αντιβιοτικά. Αντίθετα, η μετάλλαξη rdn15 προσδίδει ανθεκτικότητα στην υγρομυκίνη, φανερώνοντας ότι ο τρόπος πρόσδεσης και δράσης του συγκεκριμένου αμινογλυκοζίτη διαφοροποιείται. Το στέλεχος που φέρει την μετάλλαξη rdnhyg1 είναι ανθεκτικό και στα τρία αντιβιοτικά σε σύγκριση με το αγρίου τύπου, φανερώνοντας ότι η U1495 είναι καθοριστική για την πρόσδεση των αμινογλυκοζιτών στο ριβόσωμα. Τα κύτταρα που φέρουν την εξωριβοσωματική μετάλλαξη sup45-R2ts είναι πιο ευαίσθητα από τα αντίστοιχα αγρίου τύπου έναντι και των τριών αμινογλυκοζιτών. Ωστόσο η μετάλλαξη sup45-R2ts, δεν επηρεάζει την ικανότητα των αντιβιοτικών αυτών να προσδένονται στα αγρίου τύπου και μεταλλαγμένα ριβοσώματα και να επάγουν άμεσα τα μεταφραστικά λάθη. Η μελέτη επίδρασης των αμινγλυκοζιτών επιβεβαίωσε ότι η παρομομυκίνη και η υγρομυκίνη αναστέλλουν την ανάπτυξη των κυττάρων ζύμης, ενώ η τομπραμυκίνη δεν έχει καμία επίδραση. Το γεγονός αυτό συνδυάζεται με την αδυναμία της τομπραμυκίνης να αναστείλει την πρόσδεση του υποστρώματος στην Α-θέση των ριβοσωμάτων. Ωστόσο η τομπραμυκίνη, όπως η παρομομυκίνη και η υγρομυκίνη, είναι ικανή να αυξήσει την συχνότητα λάθους και την σύνθεση πολυφαινυλαλανίνης. / In present study, we investigated the role of helix h44 of 18S rRNA of Saccharomyces cerevisiae on several parameters of protein synthesis. For this purpose we employed mutations A1491G (rdn15) and U1495C (rdnhyg1) which are located in the A-site of the ribosome. The rdn15 mutation slightly delays cell growth, while rdn15 ribosomes translate proteins with higher fidelity. The lack of severe impairment of ribosomal function by mutation rdn15 indicates that the nature of nucleotide 1491 is not essential for ribosomal function. Yeast cells carrying the rdnhyg1 mutation grow slower than wild-type cells, while their ribosomes possess a slightly increased error rate. This mutation also increases the affinity of the A-site for aminoacyl-tRNA and renders ribosomes less efficient in translocation without affecting peptidyltransferase activity. The effect of mutation rdnhyg1 on several parameters of protein synthesis explains why U1495 is evolutionarily conserved. Mutation sup45-R2ts is located in the gene encoding eukaryotic Release Factor 1 (eRF1) and results in the substitution of proline 86 by alanine. This mutation leaves unaffected most ribosomal functions but it decreases translational fidelity. When ribosomal mutation rdn15 is introduced in cells already carrying sup45-R2ts mutation, the error frequency is increased to a degree which is higher than the additive effect of the two mutations, testifying to a previously reported special interaction of eRF1 with rdn15 ribosomes, which in this case reverses the hyperaccurate character of rdn15 ribosomes. When mutation sup45-R2ts is expressed in cells also carrying ribosomal mutation rdnhyg1, the error frequency is not significantly altered. Mutation rdnhyg1 seems to minimize the effect of the mutant factor eRF1 on ribosomal function by enhancing GTPase activity of eRF3. The results obtained with rdn15 and rdnhyg1 alone or in combination with sup45-R2ts show for the first time that the presence of sup45 may result in significant changes in the properties of the mutations under study. The strain carrying mutation rdn15 exhibits extremely high sensitivity toward paromomycin and also increases sensitivity of yeast ribosomes to tobramycin but to a lesser degree. These results demonstrate the ability of this mutation to increase affinity of the A-site for aminoglycosides. In contrast, mutation rdn15 causes resistance to hygromycin, revealing that binding and possibly action of hygromycin is differentiated from the other two aminoglycosides. The strain carrying mutation rdnhyg1 is resistant to all three antibiotics tested compared to wild type, indicating that U1495 participates in aminoglycoside binding to the ribosome. Cells carrying the extraribosomal mutation sup45-R2ts are more sensitive toward all three antibiotics compared to their wild type cells. Nevertheless, mutation sup45-R2ts does not affect the ability of these antibiotics to bind to the ribosome and directly induce translational errors. The study of amingolycoside action confirmed that paromomycin and hygromycin inhibit cells growth, while no such effect is observed during cell growth in the presence of tobramycin. This fact is combined with the inability of tobramycin to inhibit substrate binding to the ribosomal A-site Nevertheless, it was shown that tobramycin, like paromomycin and hygromycin, is effective both in inducing translational errors and increasing polyphenylalanine synthesis in wild-type and mutant ribosomes.

Στην παρούσα εργασία συνθέσαμε ένα άμινο-άκυλο- και ένα πεπτίδυλο- ανάλογο της χλωραμφαινικόλης. Τα ανάλογα αυτά ήταν η β-αλανίνη-χλωραμφαινικόλη (β-alaCAM) και η φαινυλαλανίνη-φαινυλαλανίνη-χλωραμφαινικόλη (PhePheCAM). Στην συνέχεια μελετήσαμε την βιολογική συμπεριφορά των αναλόγων αυτών μέσα από την μελέτη της κινητικής της αναστολής του σχηματισμού πεπτιδικού δεσμού που επιφέρουν τα εν λόγω ανάλογα. Σε πρωτεϊνοσυνθετικό σύστημα ριβοσωμάτων εκπορευόμενων από Escherichia coli η σύνθεση ακέτυλο-φαινυλαλάνυλο-πουρομυκίνης πραγματοποιείται μέσω μιας αντίδρασης ψευδοπρώτης τάξεως μεταξύ συμπλέγματος C, δηλαδή ακέτυλο-φαινυλαλάνυλο-poly(U)-ριβοσωμάτων, και περίσσειας πουρομυκίνης. Τόσο η β-alaCAM, όσο και η PhePheCAM μελετήθηκαν ως αναστολείς της αντίδρασης σύνθεσης ακέτυλο-φαινυλαλάνυλο-πουρομυκίνης και τα αποτελέσματα της κινητικής της αναστολής που επέφεραν συγκρίθηκαν με γνωστά από την βιβλιογραφία αντίστοιχα αποτελέσματα που αφορούν τόσο την μητρική ένωση, όσο και άλλα άμινο-άκυλο- και πεπτιδικά ανάλογα αυτής. Αρχικά παρατηρήσαμε ότι, απουσία αναστολέα, η αντίδραση ακολουθεί κινητική πρώτης τάξεως καθόλη την χρονική διάρκεια της χημικής αντίδρασης. Ωστόσο, στη συνέχεια παρατηρήσαμε ότι η παρουσία τόσο της β-alaCAM, όσο και της PhePheCAM είχε σαν αποτέλεσμα διφασικές λογαριθμικές συναρτήσεις συγκέντρωσης – χρόνου, όπου υφίστατο μία αρχική ή πρώτη χρονική φάση και μία τελική ή δεύτερη χρονική φάση της χημικής αντίδρασης πουρομυκίνης. Ακολούθησε λεπτομερής κινητική ανάλυση, αρχικά μέσω διαγραμμάτων διπλού αντιστρόφου για τις αρχικές και τις τελικές κλίσεις των λογαριθμικών χρονοκαμπυλών, καθώς και στη συνέχεια μέσω επαναδιαγραμμάτων αρχικών και τελικών κλίσεων έναντι της συγκέντρωσης του αναστολέα. Με τον τρόπο αυτό υπολογίστηκαν οι κινητικές σταθερές αναστολής Κi οι οποίες και συγκρίθηκαν με την κινητική σταθερά αναστολής της μητρικής ένωσης. Τέλος, μέσω υπολογιστικού προγράμματος προσομοίωσης, σχεδιάστηκαν οι συναρτήσεις της φαινομενικής σταθεράς εξισορρόπησης keq έναντι της συγκέντρωσης του αναστολέα και υπολογίστηκαν οι σταθερές k6 και k7. Tόσο η β-alaCAM όσο και η PhePheCAM εμφάνισαν συμπεριφορά βραδέως προσδενομένου συναγωνιστικού αναστολέα ανεξάρτητα από την συγκέντρωσή τους, σε αντίθεση με την μητρική ένωση η οποία εμφανίζει συμπεριφορά συναγωνιστικού αναστολέα σε μικρές συγκεντρώσεις αυτής και συμπεριφορά μικτού μη-συναγωνιστικού αναστολέα σε μεγαλύτερες συγκεντρώσεις αυτής. H β-alaCAM ευρέθηκε 4,6 φορές περισσότερο βιολογικά δραστική από την PhePheCAM και 14,3 βιολογικά ασθενέστερη από την μητρική ένωση. Σε αντίθεση με τη μητρική ένωση, η οποία δεν υφίσταται ισομερισμό, τόσο η β-alaCAM όσο και η PhePheCAM δίνουν, στην τελική ή δεύτερη χρονική φάση της αντίδρασης πουρομυκίνης, γένεση στο ισομερισμένο σύμπλοκο C*I. Αξιοσημείωτη είναι η παρατήρηση ότι ο σχηματισμός του ισομερισμένου συμπλόκου C*I λαμβάνει χώρα μέσω δύο κινητικών βημάτων στην περίπτωση της β-alaCAM, αλλά μέσω ενός μόνο κινητικού βήματος στην περίπτωση της PhePheCAM. Προτείνουμε, ως μοντέλο επεξηγηματικό του μηχανισμού βιολογικής δράσης και χημικής κινητικής των μελετηθέντων συνθετικών αναλόγων, ότι τόσο η β-alaCAM όσο και η PhePheCAM παρουσιάζουν αυξημένη στερεοχημική ομοιότητα με το 3΄-άκρο του άμινο-άκυλο-tRNA ή με το 3΄-άκρο του πεπτίδυλο-tRNA συγκριτικά με τη μητρική ένωση. Η αυξημένη αυτή στερεοχημική ομοιότητα πιθανότατα εξηγεί τον εκσεσημασμένο συναγωνιστικό χαρακτήρα της αναστολής που εμφανίζουν τα μελετηθέντα ανάλογα συγκριτικά με τη μητρική ένωση, ασχέτως του γεγονότος ότι η συνολική αναστολή που επιφέρουν δεν αποδεικνύεται σε καμία περίπτωση ισχυρότερη της αναστολής που επιφέρει η μητρική ένωση. Για τον λόγο αυτό τα εν λόγω συνθετικά ανάλογα της χλωραμφαινικόλης θα πρέπει να θεωρηθούν παλίνδρομα-ανάστροφα ανάλογα (retro-inverso analogs). / One aminoacyl and one peptidyl analog of chloramphenicol (Cl2CHCO-CAM) were prepared. These are L-β-alaCAM and L-PhePheCAM. The kinetics of inhibition of peptide bond formation by these analogs were examined in a cell-free system which had been used previously for the study of Cl2CHCO-CAM [Drainas et al, Eur. J. Biochem. 1987, 164, 53-58]. In a model cell-free system, derived from Escherichia coli, acetylphenylalanyl-puromycin is produced in a pseudo-first-order reaction between the preformed acetylphenylalanyl/tRNA/poly(U)/ribosome complex (complex C) and excess puromycin. Both L-β-alaCAM and L-PhePheCAM were tested as inhibitors in this reaction. In the absence of inhibitor, the reaction follows first-order kinetics for the entire course of the reaction. In the presence of the analog the reaction gives biphasic log-time plots. The kinetic informations pertaining to the initial and the terminal slopes of the plot are analyzed (initial-slope and terminal-slope analysis). Μοreover, through a computer simulation non-linear regression fitting program, the plots between the keq values and the concentration of the inhibitor [I] were constructed, and consequently the values of k6 and k7 were estimated. Detailed kinetic analysis suggests that both these analogs (I) behave as slow-binding inhibitors and react competitively with complex C to form the complex C*I which is inactive towards puromycin. In the presence of L-β-alaCAM, C*I is formed via a two-step mechanism in which C*I is the product of a slow conformational change of the initial encounter complex CI according to the equation C + I CI C*I. Our results, concerning the two-step mechanism of L-β-alaCAM are in agreement with the results of previous investigations evaluating the potency and kinetic mechanisms of other aminoacyl and peptidyl analogs of chloramphenicol [Michelinaki et al, Mol. Pharmacol. 1997, 51, 139-146]. However, in the presence of L-PhePheCAM, our results are unique because we found evidences that C*I is formed via a one-step mechanism as a product of a slow conformational change according to the equation C + I C*I. The parent compound gives complex inhibition kinetics; increasing the concentration of the parent compound changes the inhibition from competitive to mixed noncompetitive [Drainas et al, Eur. J. Biochem. 1987, 164, 53-58]. In contrast, the analogs give competitive kinetics even at high concentrations of the inhibitor. The following Ki and Ki* values have been determined: Ki = 45 μΜ for L-β-alaCAM, Ki* = 10 μΜ for L-β-alaCAM and Ki* = 46 μM for L-PhePheCAM. If we were to assume that both L-β-alaCAM and L-PhePheCAM behave as classical competitive inhibitors, we could say that L-β-alaCAM is 4.6 times more potent than L-PhePheCAM. On this assumption we could also compare chloramphenicol with L-β-alaCAM and see that L-β-alaCAM is 14.3 times weaker than chloramphenicol (Ki = 0.7 μΜ). It is suggested that as compared with chloramphenicol, both L-β-alaCAM and L-PhePheCAM have increased structural similarity to the 3΄-terminus of aminoacyl-tRNA or of peptidyl-tRNA and this similarity results in a more pronounced competitive inhibition. The results are compared with previous data and discussed on the basis of a possible retro-inverso relationship between chloramphenicol analogs and puromycin.