Η πρωτεϊνική σύνθεση είναι ένας σημαντικός στόχος για τα αντιβιοτικά. Η χλωραμφαινικόλη (CAM) δεσμεύεται επί της μεγάλης ριβοσωματικής υπομονάδας των βακτηρίων και παρεμποδίζει θεμελιώδεις λειτουργίες, όπως είναι η σύνθεση του πεπτιδικού δεσμού, η πρόσδεση των tRNA-υποστρωμάτων στην Α-θέση και ο τερματισμός της πεπτιδικής αλυσίδας. Η παρουσία ενεργών διαμεμβρανικών μεταφορέων για πολυαμίνες στα κύτταρα και κρυσταλλογραφικά δεδομένα που παρουσιάζουν δύο θέσεις πρόσδεσης της CAM στο ριβόσωμα μας έδωσαν το έναυσμα για τη δημιουργία δύο κατηγοριών παραγώγων των πολυαμινικών και των διμερών, αντίστοιχα. Στόχος της παρούσας διατριβής ήταν η επανεξέταση της πολύπλοκης συμπεριφοράς της χλωραμφαινικόλης, χρησιμοποιώντας την τεχνική της χρονο-διαβαθμισμένης αποτύπωσης, καθώς και τη σύνθεση και εκτίμηση της αντιβακτηριακής και αντικαρκινικής δράσης μιας σειράς πολυαμινικών και διμερών παραγώγων της χλωραμφαινικόλης, με αναμενόμενη ισχυρότερη συγγένεια προς το ριβόσωμα και βελτιωμένη ικανότητα εισόδου στα κύτταρα, συγκριτικά με τη μητρική ένωση. Τα πειράματα κινητικής ανάλυσης, έγιναν σε ένα σύστημα ελεύθερο-κυττάρων του εντεροβακτηρίου E. coli, όπου η σύνθεση ακετυλο-φαινυλαλανυλο-πουρομυκίνης πραγματοποιείται μέσω μιας αντίδρασης ψευδοπρώτης τάξεως μεταξύ του συμπλέγματος C, δηλαδή ακετυλο-φαινυλαλανυλο-tRNA•poly(U)•ριβοσωμάτων (δρα ως ανάλογο του εναρκτήριου μεταφραστικού συμλπόκου) και περίσσειας πουρομυκίνης (δρα ως υπόστρωμα της Α-θέσης). Τα πολυαμινικά όσο και τα διμερή παράγωγα μελετήθηκαν ως αναστολείς της αντίδρασης πουρομυκίνης και η κινητική τους συμπεριφορά συγκρίθηκε με εκείνη της μητρικής ένωσης. Αρχικά, παρατηρήσαμε ότι απουσία αναστολέα, οι αντιδράσεις ακολουθούσαν κλασσική κινητική πρώτης τάξης (μονοφασικές ημι-λογαριθμικές χρονοκαμπύλες). Ωστόσο, η παρουσία των παραγώγων είχε ως αποτέλεσμα τα δεδομένα να υποστηρίζουν κινητική χρονοεξαρτώμενης αναστολής (διφασικές ημι-λογαριθμικές χρονοκαμπύλες). Ακολούθησε ενδελεχής κινητική ανάλυση, η οποία αποκάλυψε ότι τα παράγωγα συμπεριφέρονται ως αναστολείς βραδείας δέσμευσης. Με βάση την ολική σταθερά αναστολής, Κi*, κατατάξαμε τα πολυαμινικά παράγωγα ως εξής: το ΚΑ240 (Κi*= 0,28 μΜ) και το F5 (Κi*= 0,75 μΜ) που φέρουν μία σπερμιδίνη προσκολλημένη στο μόριο της CAM, και το CLB3 (Κi*= 0,6 μΜ) που φέρει μια σπερμίνη, προσδένονται πιο ισχυρά από τη μητρική ένωση (Κi*= 0,88 μΜ) στο ριβόσωμα. Από τα διμερή ισχυρότερα είναι το mag240 (Κi*= 0,3 μΜ) που φέρει συνδέτη με περιορισμένη διαμορφωτική ελευθερία και έξι άτομα άνθρακα και τα mag261 (Κi*= 0,6 μΜ) και mag266 (Κi*= 0,75 μΜ) τα οποία φέρουν βραχύτερο συνδέτη. Μελέτες ανάλυσης αποτυπώματος επιβεβαίωσαν ότι τα παράγωγα της CAM ακολουθούν μηχανισμό πρόσδεσης δύο σταδίων, αφού το αποτύπωμα του αρχικού και τελικού συμπλόκου διέφερε, παρέχοντας έτσι τη δυνατότητα παρακολούθησης της πορείας πρόσδεσης. Η χημική προστασία που παρέχει η πρόσδεση στα νουκλεοτίδια Α2451 και U2506, που βρίσκονται στο καταλυτικό κέντρο, δικαιολογεί το συναγωνιστικό χαρακτήρα αναστολής των πολυαμινικών και διμερών παραγώγων της CAM στην αντίδραση πουρομυκίνης. Το πολυαμινικό παράγωγο ΚΑ240 και η μητρική ένωση φαίνεται να προστατεύουν τα Α2059 και Α2062 μέσω αλλοστερικού φαινομένου αφού το μήκος των μορίων τους δεν τους επιτρέπει να φτάσουν στο κανάλι εξόδου. Από την άλλη πλευρά, τα διμερή παράγωγα (mag240 και mag234) προστατεύουν τα νουκλεοτίδια του καναλιού εξόδου Α2058, Α2059, Α2062, με το mag240 να δείχνει ισχυρότερη προστασία, πιθανότατα λόγω μικρότερης δυνατότητας περιστροφής του μορίου γύρω από το βραχίονα που συνδέει τις δύο πολυαμινικές ομάδες. Εκτός από τα in vitro πειράματα πραγματοποιήσαμε και μια σειρά πειραμάτων σε βακτήρια και σε ανθρώπινες κυτταρικές σειρές. Η μελέτη της επίδρασης των παραγώγων σε καλλιέργειες στελεχών Ε. coli και S. aureus κατέδειξε ότι τα παράγωγα της CAM εισέρχονται πιο εύκολα στα θετικά κατά Gram σε σχέση με τα αρνητικά κατά Gram βακτήρια. Όμως, κανένα από τα παράγωγα δεν επέδειξε ισχυρότερη αντιβακτηριακή δράση από τη μητρική ένωση. Με βάση την υπόθεση ότι η χλωραμφαινικόλη δρα στα μιτοχόνδρια και συγκεκριμένα αναστέλλει την πρωτεϊνική σύνθεσή τους, διερευνήθηκε αν η μητρική ένωση και το δραστικότερο in vitro παράγωγο της κάθε σειράς είναι τοξικό σε ανθρώπινες λευχαιμικές κυτταρικές σειρές (Jurkat, HS-Sultan, U937) και σε κυτταρικές σειρές πνεύμονα. Αρχικές μετρήσεις με τον αναλυτή αίματος έδειξαν ότι: κανένα εκ των τριών αντιβιοτικών δεν είναι τοξικό σε ώριμα κύτταρα του αίματος σε συγκέντρωση 6 μΜ και για έκθεση 120 h. Επίσης, έδειξαν ότι η CAM αναστέλλει την ανάπτυξη κυττάρων Jurkat (Τ-λευχαιμική σειρά) κατά 13%, το ΚΑ240 κατά 26% και το mag240 κατά 31%. Σε καλλιέργεια κυττάρων HS-Sultan (Β-λευχαιμική σειρά), η συμπεριφορά των αντιβιοτικών ήταν διαφορετική: η CAM ανέστειλε την ανάπτυξη των κυττάρων κατά 30%, το ΚΑ240 κατά 15% και το mag240 κατά 10%. Σε καλλιέργεια κυττάρων U937 (μονοκυτταρική σειρά) τα αντιβιοτικά μας δεν έδειξαν κάποια τοξική δράση. Περαιτέρω μελέτη των κυτταρικών σειρών με ιωδιούχο προπίδιο (υπολογισμός νέκρωσης) και CFSE (υπολογισμός πολλαπλασιαζόμενων κυττάρων) έδειξε ότι η μείωση των κυττάρων δεν οφείλεται σε νέκρωση, αλλά σε ανάσχεση των κυτταρικών διαιρέσεων. Τέλος, η CAM και το mag240 δεν έδειξαν τοξική δράση στις κυτταρικές σειρές Μet5Α (επιθηλιακά μετασχηματισμένα κύτταρα) και Zl34 (κύτταρα από καρκίνο μεσοθηλιώματος), σε αντίθεση με το ΚΑ240, το οποίο ήταν δραστικό έναντι της καρκινικής σειράς. Συμπερασματικά, στην παρούσα μελέτη διερευνήσαμε το μηχανισμό δράσης και προσδιορίσαμε την αντιβακτηριακή ισχύ μιας σειράς παραγώγων της CAM σε καλλιέργειες θετικών και αρνητικών κατά Gram βακτηρίων. Αν και κανένα από τα παράγωγα δεν έδειξε ισχυρότερη in vivo δράση από εκείνη της μητρικής ένωσης, η διερεύνηση του μηχανισμού δράσης τους in vitro οδήγησε σε σπουδαία συμπεράσματα για τις ιδιότητες του καταλυτικού κέντρου του ριβοσώματος. Τα σπουδαιότερα εξ’ αυτών αφορούν στην ικανότητα του καταλυτικού κέντρου να διαμορφώνει τη στερεοδομή του, ώστε να υποδέχεται επιτυχώς ένα προσδέτη (induced fitting) και να μεταφέρει αλλοστερικά μηνύματα σε απομακρυσμένες χωροταξικά περιοχές. Επίσης, σημαντικό συμπέρασμα ήταν η ταυτοποίηση μιας δεύτερης θέσης πρόσδεσης της CAM στην είσοδο του καναλιού εξόδου, μικρής συγγένειας, η οποία μπορεί να αποκαλυφθεί μόνο με τη χρήση προσδετών με περιορισμένη στερεοδιαμόρφωση. Τέλος, από τη μελέτη της τοξικότητας των εν λόγω ουσιών σε ευκαρυωτικά κύτταρα διαπιστώθηκε ότι μερικά εξ αυτών, παρότι ανενεργά έναντι φυσιολογικών ανθρωπίνων κυττάρων, προκαλούν ανάσχεση στην πολλαπλασιαστική ικανότητα καρκινικών κυττάρων. Αυτό το γεγονός δίνει το έναυσμα για περαιτέρω μελέτη αξιοποίησης των εν λόγω ουσιών ως αντικαρκινικών. / Protein synthesis is a major target for antibiotics. Chloramphenicol (CAM) binds on the large ribosomal subunit and inhibits bacterial fundamental functions, such as the peptide bond formation, the binding of the tRNA-substrates in the A-site and the termination of the peptide chain synthesis. The presence of active trans-membrane transporters for polyamines in cells and crystallographic data that show two binding sites for CAM on the ribosome gave us the impetus to create two series of CAM derivatives: polyamine and dimer derivatives, respectively. The aim of this study was to re-examine the complex behavior of chloramphenicol binding to ribosomes, using time-resolved footprinting analysis, and to synthesize a series of dimers and polyamine derivatives of chloramphenicol along with evaluating their antibacterial and antitumor activity, with the expectation to find new drugs with stronger affinity against the ribosome, better ability to enter to cells and less toxicity to normal cells, compared with the parent compound. Kinetic analysis experiments were performed in a cell-free system derived from E. coli, in which acetylphenylalanyl-puromycin is produced via a pseudo-first-order reaction between complex C, i.e. acetylphenylalanyl-tRNA•poly(U)•ribosome (acting as an analog of the initiator translation complex) and puromycin in excess (acting as a pseudo-substrate of the A-site). The polyamine derivatives and dimers of CAM were studied as inhibitors of this reaction and their kinetic behavior was compared with those of the parent compound. We observed that in the absence of inhibitor, the puromycin reaction follows classical first-order kinetics (monophasic semi-logarithmic time-plots). However, in the presence of CAM derivatives, the reaction followed kinetics of time-dependent inhibition (biphasic semi-logarithmic time-plots). Data processing revealed that the CAM derivatives behave as slow binding inhibitors. Based on the overall inhibition constant, Κi*, the polyamine derivatives were classified as follows: KA240 (Κi* = 0.28 μΜ) and F5 (Κi* = 0.75 μΜ), both bearing a spermidine molecule attached to the CAM scaffold, and CLB3 (Κi* = 0.6 μΜ) that instead bears a spermine molecule were able to bind to the ribosome more tightly than the parent compound (Κi* = 0.88 μΜ) to the ribosome. Among the dimers, mag240 that possesses a six-carbons linker with limited conformational freedom, and mag261 that possesses a three-carbons linker were found to be the strongest inhibitors. Footprinting analysis studies confirmed that the derivatives of CAM follow two-step binding mechanism, since the footprint of the initial and final complex differed, thus allowing to investigate the entire course of the binding process. The chemical protection of nucleotides A2451 and U2506, which are located in the catalytic center, justifies the competitive mode of inhibition exhibited by the polyamine derivatives and dimers of CAM in the puromycin reaction. The polyamine derivative KA240 and the parent compound were found to additionally protect A2059 and A2062 through allosteric phenomena, given that the length of these molecules does not allow a direct contact with the exit tunnel. On the other hand, dimers (mag240 and mag234) protect the nucleotides of the exit tunnel A2058, A2059 and A2062, with mag240 showing stronger protection, probably due to the lower possibility of rotation of the molecule around the arm linking the two CAM scaffolds. Apart from the in vitro experiments, we performed a series of experiments in bacteria and in human cell lines. The study of the effect of the derivatives in cultures of E. coli and S. aureus cells demonstrated that CAM derivatives access easier Gram-positive than Gram-negative bacteria. However, none of the derivatives show a stronger antibacterial activity than the parent compound. Taking into account that chloramphenicol may impact the eukaryotic mitochondria and specifically may inhibit mitochondrial protein synthesis, we investigated whether the parent compound and the most active members in vitro of each series of derivatives are toxic to human hematopoietic cell lines (Jurkat, HS-Sultan, U937) and lung cell lines. Preliminary measurements using the blood analyzer showed that none of the three antibiotics is toxic to mature blood cells, after 120h- exposure at 6 μM of each drug. They also showed that CAM inhibits Jurkat (T leukemia line) cell growth by 13%, KA240 by 26% and mag240 by 31%. In cell culture HS-Sultan (B-leukemia line), the toxic effects of the drugs were different: CAM inhibited cell growth by 30%, KA240 by 15% and mag240 by 10 %. U937 (monocytic cell line) cultured cells were not sensitive to any of the investigated drugs. Further experimentation using propidium iodide (calculation of necrosis) and CFSE (calculation of proliferating cells) showed that the observed reduction of cell growth was not due to cell death, but to inhibition of cell divisions. Finally, CAM and mag240 showed no toxic effect on Met5A (transformed epithelial cells) and Zl34 (mesothelioma cancer cells), contrary to KA240 that was active against Zl34 cells. In conclusion, in the present study we investigated the mechanism of action and we determined the antibacterial effect of a series of CAM derivatives in cultures of Gram-positive and Gram-negative bacteria. Although none of the derivatives showed stronger in vivo activity than those of the parent compound, the investigation of their activity in cell free systems led to important conclusions about the properties of the catalytic center of the ribosome. The most important of them concern the ability of the catalytic center to form its structure, to receive successfully a ligand (induced fitting) and to transfer allosteric messages to remote spatial regions. An important finding was the identification of a second binding site of the CAM at the entrance of the exit tunnel, which has low affinity and can only be detected using ligands with restricted conformation. Finally, measurements of the toxicity of these substances in various eukaryotic cells revealed that some of them, although inactive against normal human cells, exhibit anti-proliferative effects on tumor cells. This finding paves the way for further investigation of these substances as promising anticancer compounds.

Η αυξανόμενη τάση εμφάνισης ανθεκτικών στελεχών μικροβίων στα αντιβιοτικά δημιουργεί την ανάγκη για την εύρεση νέων αντιβιοτικών περισσότερο αποτελεσματικών των υπαρχόντων. Η ανάγκη αυτή έχει ως αποτέλεσμα την ανάπτυξη νέων αντιβιοτικών, προϊόντων οργανικής σύνθεσης, μεταξύ των οποίων σημαντική θέση κατέχει η λινεζολίδη. Η λινεζολίδη είναι ένα αντιβιοτικό που ανήκει στην οικογένεια των οξαζολιδινονών. Χρησιμοποιείται κλινικά από το 2000 και μετά, για τη θεραπεία ενός φάσματος λοιμώξεων που προκαλούνται κυρίως από θετικούς κατά Gram παθογόνους μικροοργανισμούς. Το μόριο της αποτελείται από τρεις αρωματικούς δακτυλίους με μία ακεταμιδομεθυλο ουρά προσδεδεμένη στον οξαζολιδινικό φαρμακοκινητικό δακτύλιο. Η κρυσταλλογραφική ανάλυση του προσδεδεμένου αντιβιοτικού στη μεγάλη ριβοσωματική υπομονάδα στα αρχαία και τα βακτήρια αποκαλύπτει ότι η λινεζολίδη προσδένεται στην Α- θέση του ριβοσώματος, στο κέντρο δηλαδή της πεπτιδυλοτρανσφεράσης, σε μία θέση που επικαλύπτει τις θέσεις πρόσδεσης της ανισομυκίνης, της χλωραμφαινικόλης καθώς επίσης και του αμινοακυλικού άκρου ενός αμινοάκυλο tRNA. Αν και αποτελεί αντιβιοτικό νέας γενιάς και η χρήση του είναι ακόμα περιορισμένη, εν τούτοις έχουν ήδη αναφερθεί ανθεκτικά βακτηριακά στελέχη. Η ανθεκτικότητα έχει συσχετισθεί με συγκεκριμένες μεταλλάξεις κυρίως στο 23S rRNA και δευτερευόντως με συγκεκριμένες μεταλλάξεις στις ριβοσωματικές πρωτεΐνες. Πρόσφατα δημοσιεύτηκε ότι το στέλεχος του Staphylococcus epidermidis Α2864 το οποίο φέρει παρόμοιες μεταλλάξεις ανθεκτικότητας στο 23 S rRNA και στην ριβοσωματική πρωτεΐνη L3, όχι μόνο δεν αναστέλλεται από τη λινεζολίδη, αλλά παρουσία του αντιβιοτικού αναπτύσσεται ταχύτερα από το στέλεχος αγρίου τύπου. Επειδή το ριβόσωμα είναι ο κύριος στόχος δράσης του αντιβιοτικού, προσπαθήσαμε να διερευνήσουμε πιθανές μεταβολές που προκαλεί η παρουσία της λινεζολίδης στη λειτουργία των ριβοσωμάτων του συγκεκριμένου στελέχους. Απομονώσαμε λειτουργικά ριβοσώματα από το στέλεχος αγρίου τύπου, αλλά και το μεταλλαγμένο, που αναπτύσσεται είτε απουσία είτε παρουσία λινεζολίδης. Σύμφωνα με τα αποτελέσματά μας, υπάρχουν σημαντικές διαφορές στη δομή και στη λειτουργία των ριβοσωμάτων που έχουν απομονωθεί από κύτταρα που αναπτύχθηκαν παρουσία του αντιβιοτικού. Η καταλυτική ενεργότητα της πεπτιδύλοτρανσφεράσης, δηλαδή της ενζυμικής ενεργότητας η οποία είναι υπεύθυνη για το σχηματισμό του πεπτιδικού δεσμού και εκφράζεται με το λόγο kcat/KM, είναι σημαντικά υψηλότερη στα ριβοσώματα που έχουν απομονωθεί από το μεταλλαγμένο στέλεχος που καλλιεργήθηκε παρουσία λινεζολίδης. Τη διαφορά όμως αυτή την εκφράζουν μόνο παρουσία του αντιβιοτικού. Μία άλλη σημαντική διαφορά αυτών των ριβοσωμάτων είναι η αδυναμία τους να διαχωριστούν αποτελεσματικά στις υπομονάδες τους απουσία του αντιβιοτικού, ενώ παρουσία της λινεζολίδης διαχωρίζονται σχεδόν ικανοποιητικά στις υπομονάδες τους. Όλες αυτές οι παρατηρήσεις οδηγούν στο συμπέρασμα ότι η παρουσία του αντιβιοτικού έχει τροποποιήσει τη δομή και λειτουργία του ριβοσώματος είτε επηρεάζοντας την καθορισμένη ιεραρχία της συναρμολόγησης των ριβοσωμάτων, είτε σχηματίζοντας ένα καινούριο ριβοσωματικό υβρίδιο, λειτουργικό μόνο παρουσία του αντιβιοτικού. / The rising tide of bacterial resistance has created an urgent need for new effective antibiotics. This need has resulted in the development of new synthetic antibiotics, with linezolid being one of them. Linezolid belongs to the family of oxazolidinones. It has been introduced into clinical practice since 2000, for the treatment of a variety of infections caused by Gram-positive pathogen microorganisms. This molecule comprises three aromatic rings with an acetamidomethyl tail attached to the pharmacokinetic oxazolidinone ring. Crystal structures of linezolid bound the bacterial and archaeal large subunits reveal that linezolid binds to the A- site of the ribosome, in the PTC, in a position overlapping the binding sites of anisomycin, chloramphenicol as well as the aminoacyl moiety of an A- site bound tRNA. Although it belongs to the new generation of antibiotics and its use is still limited, antibiotic resistance has already been manifested and is associated with specific mutations mainly located on 23S rRNA and specific ribosomal proteins. Recently, it has been published that Staphylococcus epidermidis strain A2864, is not only resistant to linezolid but additionally it grows remarkably faster in the presence of the antibiotic, as well as the wild type strain. Since ribosome is the main target of the antibiotic, we tried to investigate possible changes in ribosome’s function that are induced by the presence of the antibiotic. We isolated functionally active ribosomes from wild type strain and mutant strain growing in the absence and presence of linezolid. According to our data, there are serious differences in the structure and function of mutant ribosomes assembled in the presence of the antibiotic. The catalytic activity of peptidyltransferase, the enzymatic activity which is responsible for peptide bond formation and is expressed with the ratio kcat/KM is significantly higher in the mutant strain in the presence of linezolid, but only for ribosomes assembled in the presence of the antibiotic. Another important difference of the same ribosomes is their inability to be efficiently dissociated into subunits in the absence of the antibiotic, while in the presence of the antibiotic the separation of subunits was successfully restored. These observations imply that, the presence of the antibiotic has modified the structure and the function of the ribosome either by modifying the defined hierarchy of ribosomes assembly or by leading to the formation of a new functional specie, active only in the presence of the antibiotic.

Τα τελευταία χρόνια, πολλά εργαστήρια έχουν επικεντρώσει το ενδιαφέρον τους στο 5S rRNA, το μικρότερο RNA συστατικό του ριβοσώματος. Ο ακριβής ρόλος του 5S rRNA στο ριβόσωμα, την πρωτεϊνική βιοσυνθετική μηχανή, δεν έχει πλήρως αποσαφηνιστεί. Αποτελέσματα δομικών μελετών τοποθετούν το 5S rRNA στη μεγάλη ριβοσωμική υπομονάδα. Ευρήματα που αφορούν σχέσεις δομής και λειτουργίας οδηγούν στην υπόθεση, ότι σταθεροποιεί τη δομή του ριβοσώματος και λειτουργεί ως φυσικός μεταδότης πληροφοριών μεταξύ λειτουργικών κέντρων. Από την άλλη πλευρά, το ιοντικό περιβάλλον επηρεάζει άμεσα τη ριβοσωματική λειτουργία. Μονοσθενή και δισθενή κατιόντα, καθώς και πολυκατιόντα, όπως οι πολυαμίνες, παρεμβαίνουν στη ριβοσωματική διαμόρφωση και συνεπώς εμπλέκονται άμεσα στη λειτουργία του ριβοσώματος. Προκαρτατικές μελέτες στο εργαστήριό μας έχουν δείξει ότι οι πολυαμίνες, και συγκεκριμένα η σπερμίνη, σταθεροποιούν την δευτεροταγή και τριτοταγή δομή του 5S rRNA, οδηγώντας σε μια πιο συνεκτική διαμόρφωση του μορίου. Στόχος της παρούσας διατριβής ήταν να διερευνηθεί ο ρόλος της διαμόρφωσης του 5S rRNA στην πρωτεϊνική σύνθεση του εντεροβακτηρίου E.coli. Παράλληλος στόχος ήταν η μελέτη της επίδρασης των πολυαμινών στη δομή και λειτουργία τόσο του 5S rRNA, όσο και ολοκλήρου του ριβοσωματικού συμπλόκου. Η πρόσδεση των πολυαμινών στο 5S rRNA μελετήθηκε με τη μέθοδο της φωτοσήμανσης συγγένειας, χρησιμοποιώντας ως μοριακό ανιχνευτή ένα φωτοδραστικό ανάλογο της σπερμίνης, την ΑΒΑ-σπερμίνη. Πραγματοποιήθηκε κινητική μελέτη της πρόσδεσης και προσδιορίστηκαν οι θέσεις δέσμευσης της ΑΒΑ-σπερμίνης στο 5S rRNA, είτε αυτό ήταν ελεύθερο, είτε ενσωματωμένο σε 50S ριβοσωματικές υπομονάδες ή 70S ριβοσωματικά σύμπλοκα από E.coli. Τα αποτελέσματα αποκάλυψαν ότι σε ελεύθερο 5S rRNA, η σπερμίνη προσδένεται κυρίως σε νουκλεοτίδια των ελίκων III και V και στις θηλιές Α, C, D και E. Ενσωμάτωση του 5S rRNA σε 50S υπομονάδες ή 70S poly(U)-προγραμματισμένα ριβοσώματα, είχε σαν αποτέλεσμα τη μείωση της επιδεκτικότητας των νουκλεοτιδίων του στην ΑΒΑ-σπερμίνη. Ακολούθησε διερεύνηση των επιπτώσεων της πρόσδεσης του φωτοαναλόγου στη δομή του 5S rRNA. Πραγματοποιήθηκαν πειράματα χημικής τροποποίησης, τα οποία αποκάλυψαν ότι ανεξάρτητα από το αν το 5S rRNA είναι ελεύθερο ή συναρμολογημένο σε 50S υπομονάδες ή σε 70S ριβοσωματικά σύμπλοκα, η πρόσδεση της ΑΒΑ-σπερμίνης προκαλεί σημαντικές αλλαγές στη διαμόρφωση του μορίου. Η θηλιά Α υιοθετεί μια πιο χαλαρή δομή, ενώ οι θηλιές C, D και E και η έλικα III μια πιο συνεκτική δομή. Με την διαπίστωση των αλλαγών της διαμόρφωσης του 5S rRNA λόγω της πρόσδεσης της ΑΒΑ-σπερμίνης, κρίθηκε ενδιαφέρον να μελετηθεί αν αυτές οι διαμορφωτικές αλλαγές επηρεάζουν θεμελιώδεις λειτουργίες του ριβοσώματος. Αρχικά μελετήθηκε η επίδραση της αλλαγής διαμόρφωσης του 5S rRNA στην ικανότητα του να συναρμολογείται σε 50S υπομονάδες και 70S ριβοσωματικά σύμπλοκα. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η πρόσδεση της ΑΒΑ-σπερμίνη στο 5S rRNA, δεν καταργεί την διαδικασία συναρμολόγησης των 50S υπομονάδων, παρεμποδίζει όμως τις απαιτούμενες δομικές αλλαγές με το να σταθεροποιεί μια πιο συνεκτική δομή του 5S rRNA, θερμοδυναμικά λιγότερο ευνοϊκή για την πορεία. Παρά το γεγονός ότι η πρόσδεση της σπερμίνης στο 5S rRNA επιφέρει στο μόριο δομικές αλλαγές που εμποδίζουν την συναρμολόγηση του σε 50S υπομονάδες, όταν αυτές σχηματιστούν, αποκτούν δομή τέτοια που επιτρέπει την αλληλεπίδρασή τους με τις 30S υπομονάδες. Ωστόσο, η παρουσία του 5S rRNA φαίνεται να είναι απαραίτητη για τον σχηματισμό ενεργών 50S υπομονάδων, αφού η απουσία του 5S rRNA δεν επιτρέπει ούτε το σχηματισμό ακέραιων υπομονάδων, ούτε την σύζευξη των υπομονάδων προς ακέραια ριβοσωματικά σύμπλοκα. Στη συνέχεια μελετήθηκε η επίδραση της φωτοσήμανσης του 5S rRNA, αρχικά στην ικανότητα των ριβοσωμάτων να προσδένουν υπόστρωμα και στη συνέχεια, στην καταλυτική δράση αυτών. Φωτοσήμανση του 5S rRNA με ΑΒΑ-σπερμίνη προκάλεσε μικρή, αλλά σαφή ενεργοποίηση της πρόσδεσης υποστρώματος στην Ρ-θέση, σε αντίθεση με την πρόσδεση στην Α-θέση, η οποία δε φαίνεται να επηρεάζεται. Σαφής ήταν, επίσης, η επίδραση στην ενεργότητα της πεπτιδυλοτρανσφεράσης: Παρατηρήθηκε αύξηση μέχρι και 30% στη δραστικότητα της ΡΤασης. Ιδιαίτερης σημασίας είναι το εύρημα, ότι ριβοσώματα ελλιπή σε 5S διατηρούν ~10% της δράσης της ΡΤασης, γεγονός που οδηγεί στη υπόθεση ότι το 5S rRNA δεν είναι απολύτως απαραίτητο για τη κατάλυση του πεπτιδικού δεσμού. Ακολούθησε η μελέτη της επίδρασης της αλλαγής διαμόρφωσης του 5S rRNA στην μετατόπιση υποστρωμάτων, αρχικά στην αυθόρμητη (μη ενζυμική) και στη συνέχεια στην EF-G-καταλυόμενη μετατόπιση. Τα αποτελέσματα επιβεβαίωσαν την υπόθεση, ότι η μετατόπιση υποστρωμάτων είναι έμφυτη ιδιότητα του ριβοσώματος. Παράλληλα, κατέδειξαν ότι η πρόσδεση σπερμίνης στο 5S rRNA διεγείρει την μη ενζυμική μετατόπιση, πιθανόν μέσω αλλαγών στην αναδίπλωση του rRNA, οι οποίες μεταδίδονται στα ριβοσωματικά κέντρα που είναι υπεύθυνα για αυτή τη λειτουργία. Περαιτέρω, η παρουσία σπερμίνης στο 5S rRNA, μείωσε τις απαιτήσεις για EF-G. Το αποτέλεσμα αυτό μπορεί να εξηγηθεί είτε με μια πιθανή ευεργετική δράση της σπερμίνης στην δέσμευση του EF-G στο ριβόσωμα, είτε με την επίδρασή της στο στάδιο της υδρόλυσης του GTP. Για να διευκρινίσουμε ποια από τις δυο εκδοχές ευσταθεί, μελετήθηκε η επίδραση της αλλαγής διαμόρφωσης του 5S rRNA στην ικανότητα ριβοσωμάτων να δεσμεύουν EF-G και στη συνέχεια στην ικανότητα τους να ενεργοποιούν την EF-G-εξαρτώμενη GTP υδρόλυση. Βρέθηκε ότι, η παρουσία σπερμίνης στο μόριο του 5S rRNA, ευνοεί τη δέσμευση του EF-G στο ριβόσωμα. ¨Όσο αφορά την ικανότητα του ριβοσώματος να ενεργοποιεί την EF-G-εξαρτώμενη GTP υδρόλυση, τα αποτελέσματα της μελέτης έδειξαν ότι η αρχική ταχύτητα της αντίδρασης δεν επηρεάζεται από την παρουσία σπερμίνης, αποτέλεσμα που μας οδηγεί στο συμπέρασμα ότι η αλλαγή της διαμόρφωσης του 5S rRNA δεν επηρεάζει την GTP υδρόλυση. Απουσία του 5S rRNA, τα ριβοσώματα διατηρούν κάποια δραστικότητα GTPασης, αλλά δεν είναι ικανά να δεσμεύουν αποτελεσματικά τον EF-G, ακόμη και παρουσία σπερμίνης. Λαμβάνοντας υπόψη, ότι η θέση δέσμευσης του EF-G στο ριβόσωμα βρίσκεται στα domain II και VI του 23S rRNA και ότι απευθείας επαφές του 5S rRNA με αυτές τις περιοχές ή με τον EF-G δεν έχουν βρεθεί, οδηγούμαστε στην υπόθεση ότι, το 5S rRNA, μέσω αλλοστερικών σημάτων, επηρεάζει την EF-G-GTP δέσμευση στο ριβόσωμα, όχι όμως και την GTP υδρόλυση. Για να επιβεβαιώσουμε τα παραπάνω, μελετήθηκε η επίδραση του ιοντικού περιβάλλοντος και η αλλαγή της διαμόρφωσης του 5S rRNA, στη διαμορφωτική κατάσταση θεμελιωδών λειτουργικών κέντρων του ριβοσώματος. Η μελέτη εστιάστηκε στην ικανότητα του 5S rRNA να επηρεάζει τα κέντρα πρόσδεσης του EF-G στο ριβόσωμα, καθώς και τις θέσεις Α- και Ρ- του ριβοσωμικού συμπλόκου. Διαπιστώθηκε ότι η αλληλεπίδραση ελεύθερης σπερμίνης με το ριβόσωμα ενισχύει το αποτύπωμα (footprinting) χημικής προστασίας νουκλεοτιδίων υπευθύνων για την πρόσδεση του ΕF-G και τη συγκρότηση της Ρ-θέσης, όχι όμως και της Α-θέσης. Παρόμοια, αλλά μικρότερου βαθμού, ήταν και η επίδραση της προσδενομένης επιλεκτικά ΑΒΑ-σπερμίνης στο 5S rRNA. Συμπερασματικά, το 5S rRNA περιέχει θέσεις εξειδικευμένης πρόσδεσης πολυαμινών, οι οποίες επηρεάζουν την τριτοταγή του διαμόρφωση. Η δέσμευση της σπερμίνης στο 5S rRNA φαίνεται να μην επηρεάζει σημαντικά την ικανότητα της 50S ριβοσωματικής υπομονάδας να δεσμεύει υπόστρωμα, βελτιώνει όμως την καταλυτική δραστικότητα του ριβοσώματος και την ικανότητα του να μετατοπίζει τα υποστρώματα. Οι πολυαμίνες ενεργοποιούν την δέσμευση του EF-G στο ριβόσωμα, αλλά ελάχιστα επηρεάζουν την υδρόλυση του GTP από τον EF-G. Εν κατακλείδι, το 5S rRNA φαίνεται να παίζει σημαντικό ρόλο στην μεταγωγή σημάτων μεταξύ του καταλυτικού κέντρου και της περιοχής πρόσδεσης EFG. / In recent years, many research groups have focused their interest on 5S rRNA, the smallest RNA component of the ribosome that is preserved in almost all organisms. Its precise role in the ribosome, the protein “biosynthetic machine”, has not been fully clarified. The results of structural studies place 5S rRNA in the large ribosomal subunit. Findings concerning relations between structure and function lead to the assumption that 5S rRNA stabilises the structure of the ribosome and acts as natural transmitter of information between functional centres. On the other hand, the ionic environment directly affects ribosome function. Monovalent and divalent ions as well as polycations, such as polyamines, influence the ribosomal conformation, and therefore are involved in the function of the ribosome. Preliminary studies in our laboratory have shown that polyamines, namely spermine, stabilize the secondary and tertiary structure of 5S rRNA, leading to a more cohesive configuration of the molecule. The aim of this thesis was to investigate the role of 5S rRNA configuration in protein synthesis of the enterobacterium E.coli. At the same time, the biological activity of polyamines in the structure and functioning of both 5S rRNA and the whole ribosomal complex was studied. Polyamine binding to 5S rRNA was investigated by photoaffinity labeling, using a photoreactive analogue of spermine, ABA-spermine, as a molecular probe. Kinetic study was performed and the number of cross-linking sites of ABA-spermine in free 5S rRNA, or 5S rRNA incorporated into 50S subunits or 70S ribosomal complexes from E.coli ribosomes was determined. The results revealed that in free 5S rRNA spermine binds mainly to nucleotides of helices III and V and loops A, C, D and E. Integration of 5S rRNA into 50S subunits or 70S poly (U) – programmed ribosomes results in a great reduction of the susceptibility of 5S rRNA to ABA-spermine. The impact of the ABA-spermine photo-incorporation into the 5S rRNA molecule was then investigated. Chemical modification experiments revealed that, regardless of whether 5S rRNA is free or assembled in 50S subunits or 70S ribosomal complexes, binding of ABA-spermine causes significant changes in the conformation of the molecule. Loop A adopts a “looser” structure, while loops C, D, E and helices III and V achieve a more compact folding. With the discovery of changes in the configuration of 5S rRNA, due to ABA-spermine’s binding, it was interesting to study whether these conformational changes influence fundamental functions of the ribosome. Initially, the effect of changing the configuration of 5S rRNA on 50S subunit and 70S ribosomal complex assembly was investigated. The results showed that binding of ABA-spermine to 5S rRNA does not eliminate the process of 50S subunit assembly, but impedes the necessary structural changes by stabilising a more coherent structure of 5S rRNA, thermodynamically less favourable for the process. Despite the fact that binding of ABA-spermine to 5S rRNA results in structural changes that reduce the assembly of 50S subunits, when the later are formed they acquire such a structure that allows their interaction with 30S subunits. Nevertheless, the presence of 5S rRNA seems to be necessary for the formation of active 50S subunits, since 5S RNA-depleted ribosomal subunits do not associate with 30S subunits to functional 70S ribosomes. Next, the effect of photolabeling 5S rRNA was studied, initially on the ability of ribosomes to bind substrate, and then on their catalytic activity. Photolabeling of 5S rRNA with ABA-spermine caused a small but obvious activation in AcPhe-tRNA binding to the P-site. In contrast, binding to the A-site did not appear to be affected. Of great importance was the effect on the activity of peptidyl-transferase; in the presence of spermine, an increase of up to 30% on the activity of PTase was observed. Interestedly, ribosomes that lack 5S rRNA maintained ~ 10% of PTase activity, which leads to the assumption that 5S rRNA is not absolutely necessary for the formation of peptide bonds. The study of the effect of 5S rRNA conformational changes on ribosome's ability to translocate substrates followed. Spontaneous (non-enzymatic) translocation was studied first, and then, EF-G-catalyzed translocation. The results confirmed the assumption that translocation of substrates is an inherent property of the ribosome itself, even though extremely slow. At the same time, it was shown that binding of spermine to 5S rRNA, stimulates non-enzymatic translocation, possibly through changes in the folding of ribosomal RNA, that are beneficial in translocating tRNAs. Further, the presence of spermine in 5S rRNA reduced the requirements for EF-G. This result can be explained either by a possible beneficial effect of spermine to the binding of EF-G to the ribosome, either through its impact in the process of hydrolysis of GTP. To clarify which of the two versions is accurate, we studied the effect of 5S rRNA conformational changes on the ribosomal ability to bind EF-G, and then on their ability to trigger EF-G-dependent GTP hydrolysis. It was found that the presence of spermine in 5S rRNA promotes EF-G binding to ribosomes. In contrast, the results of the study showed that the initial rate of GTP hydrolysis was not influenced by the presence of spermine. Ribosomes depleted of 5S rRNA retained some GTP activity, but were unable to effectively bind EF-G even in the presence of spermine. Taking into account that EF-G binds in domain II and VI of 23S rRNA, but direct contacts of 5S rRNA with these areas or with EF-G have not been found, we are led to the conclusion that 5S rRNA affects EF-G-GTP binding to ribosomes, through allosteric signals, without affecting the EF-G-mediated GTP hydrolysis. To confirm the above, we studied the effect of the ionic environment and the changes in the tertiary structure of 5S rRNA on the conformational state of fundamental functional centres in the ribosome. Specifically, the study was focused on the ability of free spermine or photolabeling 5S rRNA with ABA-spermine to affect the SRL and GAC regions of the ribosome as well as the A-and P-sites. It was found that interaction of free spermine with ribosomes intensifies the footprint of EF-G within the ribosome and induces the AcPhe-tRNA binding to the P-site, but not to the A-site. Similar, but of lower degree, was the effect 5S rRNA labelling by ABA-spermine. In summary, a comprehensive view of the 5S rRNA nucleotide residues involved in spermine binding is gained by the present study. The results further suggest that binding of spermine to 5S rRNA causes conformational changes in certain regions of the molecule. These changes, although not of the extreme amplitude, enabled us to investigate the functional role of 5S rRNA. In light of this role, it seems that PTase center and EF-G binding center are able to coordinate their functions by transmission of allosteric signals through 5S rRNA.

- / -

- / -

Η πρωτεϊνική σύνθεση είναι ένας σημαντικός στόχος για τα αντιβιοτικά. Μεγάλη ποικιλία αντιβιοτικών αναστέλλουν τον πολλαπλασιασμό των παθογόνων βακτηρίων, προσδενόμενα στα ριβοσώματά τους. Η τελιθρομυκίνη είναι ένα ημισυνθετικό παράγωγο της ερυθρομυκίνης, που ανήκει στην οικογένεια των κετολιδίων και επιδεικνύει αντιμικροβιακή δραστικότητα σε αρκετά βακτήρια που είναι ανθεκτικά στην ερυθρομυκίνη. Είναι ένας ισχυρός αναστολέας της πρωτεϊνικής σύνθεσης, παρεμποδίζοντας τη διέλευση της νεοσυντιθέμενης πολυπεπτιδικής αλυσίδας από το κανάλι εξόδου. Για να αναλύσουμε την αλληλεπίδραση της τελιθρομυκίνης με το βακτηριακό ριβόσωμα, μελετήσαμε τη σύνδεση του αντιβιοτικού σε E.coli ριβοσώματα χρησιμοποιώντας κινητική συναγωνισμού πρόσδεσης. Συγκεκριμένα, η πρόσδεση της τελιθρομυκίνης μελετήθηκε σε ένα σύστημα ελεύθερο-κυττάρων του εντεροβακτηρίου E.coli, όπου το εν λόγω αντιβιοτικό συναγωνίζεται την τυλοσίνη για κοινές θέσεις δέσμευσης επί του τριμερούς συμπλόκου C (AcPhe-tRNA•poly(U)•ριβόσωμα), ενός λειτουργικού αναλόγου του εναρκτήριου συμπλόκου. Η τυλοσίνη, ένα 16-μελές μακρολίδιο, αναστέλλει το σχηματισμό πεπτιδικού δεσμού, ενώ η τελιθρομυκίνη δεν επηρεάζει τη δραστικότητα της πεπτιδυλοτρανσφεράσης. Τα κινητικά δεδομένα υποστηρίζουν ότι η τελιθρομυκίνη και το ριβοσωματικό σύμπλοκο C αλληλεπιδρά σε μοριακή αναλογία 1:1 για να σχηματίσει ταχέως ένα CT σύμπλοκο, το οποίο στη συνέχεια ισομεριώνεται βραδέως σε ένα σταθερότερο σύμπλοκο C*T. C+ T CT C*T Το πρώτο στάδιο της διαδικασίας δέσμευσης περιλαμβάνει μία σχετικά χαμηλής συγγένειας θέση δέσμευσης, που τοποθετείται στην είσοδο του καναλιού εξόδου της μεγάλης ριβοσωματικής υπομονάδας (KT =500 nM). Το δεύτερο στάδιο αναπαριστά μία διαμορφωτική αλλαγή με σταθερά ισομερισμού (Κισομ.) ίση με 58,9 , η οποία ωθεί το αντιβιοτικό βαθύτερα στο εσωτερικό του τούνελ σε μία θέση υψηλής συγγένειας (KT*=8,13 nM). Μεταλλαγή του νουκλεοζίτη U754 σε αδενοσίνη μειώνει στο ήμισυ την ικανότητα μετατόπισης της τελιθρομυκίνης στην τελική της θέση (Κισομ.=25,7), μέσω λεπτών αλλαγών στις σταθερές ταχύτητας σχηματισμού και διάστασης του συμπλόκου C*T. Αντίθετα, η μεταλλαγή U2609C μειώνει 5-φορές τη μετακίνηση του αντιβιοτικού προς τη θέση υψηλής συγγένειας και αποσταθεροποιεί το σύμπλοκο C*T, προσδίδοντας στην Κισομ. τιμή ίση με 2,6. Δεδομένου ότι οι δύο νουκλεοζίτες έχουν εντοπιστεί με κρυσταλλογραφία στην ίδια περιοχή του καναλιού εξόδου, τα αποτελέσματά μας υποστηρίζουν την άποψη ότι μερικά ριβοσωματικά κατάλοιπα, αν και εντοπισμένα σε γειτονικές θέσεις, μπορεί να έχουν εντελώς διαφορετική συνεισφορά στην εγκατάσταση ενός φαρμάκου επί του ριβοσώματος. Μεταλλάξεις στις ριβοσωματικές πρωτεΐνες L22 και L4 προκαλούν διαφορετικές μεταβολές στην πρόσδεση της τελιθρομυκίνης στο ριβοσωματικό σύμπλοκο C. Συγκεκριμένα, η αφαίρεση των αμινοξέων 82-84 στον εκτεταμένο βρόγχο της L22 μειώνει δραστικά τη σταθερά ισομερισμού (Κισομ.= 1,53), ενώ η μετάλλαξη Lys63Glu στην πρωτεΐνη L4 ασκεί μέτρια επίδραση στην ολική συγγένεια της τελιθρομυκίνης για το ριβοσωματικό σύμπλοκο C (KT*=12 nM). Και οι δύο μεταλλάξεις προκαλούν ισχυρή ανθεκτικότητα έναντι της ερυθρομυκίνης. Τα αποτελέσματα αυτά αποτελούν σημαντική προσφορά στη χαρτογράφηση της θέσης πρόσδεσης της τελιθρομυκίνης στο προκαρυωτικό ριβόσωμα και επιβεβαιώνουν την υπεροχή της αντιμικροβιακής δράσης της τελιθρομυκίνης έναντι της ερυθρομυκίνης. / Protein synthesis is an important target for antibiotics. A wide range of antibiotics inhibit the growth of pathogenic bacteria, by binding to the ribosome. Telithromycin is a semisynthetic derivative of erythromycin, which belongs to the family of ketolides and causes increased antimicrobial activity in several bacteria that are resistant to erythromycin. It is a potent inhibitor of protein synthesis by preventing the passage of nascent polypeptide chain through the exit tunnel. To analyze the interaction of telithromycin with the bacterial ribosome, we examined the binding of the drug to E.coli ribosomes, using competitive kinetics. Namely, the binding of telithromycin was studied in a free-cell system derived from E.coli, where it competes with the antibiotic tylosin for common binding sites on the ternary complex C (AcPhe-tRNA • poly (U) • ribosome), an active analogue of the initiator complex in protein synthesis. Tylosin, a 16-member macrolide, inhibits peptide bond formation, while telithromycin fails to affect the activity of peptidyltransferase. The kinetic data suggest that telithromycin and the ribosomal complex C interact at a molecular ratio of 1:1 to form quickly a CT complex, which then slowly isomerized to a tighter complex C*T. C+ T CT C*T The first step of the binding procedure includes a relative low-affinity binding site, situated at the entrance of the exit tunnel of the large ribosomal subunit (KT = 500 nM). The second step represents a slow conformational change with an isomerization constant (Kisom.) equal to 58.9, which pushes the drug deeper into the tunnel, in a high-affinity site (KT*=8.13 nM). Mutation of nucleoside U754 to adenosine reduces moderately the ability of telithromycin to translocate to its final position (Kisom.=25.7), through minor effects on the forward and reverse rate constants of the isomerization step. In contrast, mutation U2609C reduces 5-fold the shift of the drug to the high-affinity site and also destabilizes the final complex C*T, leading to a value for Kisom. equal to 2.6. Taking into account, that both ribosomal nucleosides have been crystallographycally localized at the same region of the exit tunnel, our results emphasize the notion that some ribosomal residues, although placed at neighboring positions, may have entirely different contribution on the accommodation of a drug into the ribosome. Mutations in ribosomal proteins L4 and L22 affect diversely the binding of telithromycin to ribosomal complex C. Especially, removal of amino acids 82-84 in the extended loop of L22 significantly reduces the isomerization constant (Kisom. = 1.53), while mutation Lys63Glu in protein L4 exhibits a moderate effect on the overall affinity of telithromycin for the ribosomal complex C (KT *= 12 nM). Both mutations render E.coli resistant against erythromycin. Our results contribute significantly to the mapping of telithromycin binding site in prokaryotic ribosome and confirm the superiority of telithromycin as an antimicrobial agent, when compared with erythromycin.

- / -

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.

Τα ριβοσώματα, οι μακρομοριακές μεταφραστικές μηχανές που είναι υπεύθυνες για την πρωτεϊνική σύνθεση, αποτελούν έναν από τους κυριότερους κυτταρικούς στόχους των αντιβιοτικών, που χορηγούνται για αντιμικροβιακή θεραπεία. Μελέτες για περισσότερο από 40 χρόνια δείχνουν ότι το κατάλληλο ιοντικό περιβάλλον (μονοσθενή, δισθενή κατιόντα και πολυαμίνες) είναι απαραίτητο για τη σωστή ριβοσωματική λειτουργία, ενώ παράλληλα επηρεάζει τις αλληλεπιδράσεις του με διάφορους προσδέτες. Παρόλα αυτά η μοριακή βάση της επίδρασης του ιοντικού περιβάλλοντος στο μηχανισμό δράσης των αντιβιοτικών δεν έχει ενδελεχώς μελετηθεί. Στόχος της παρούσας διατριβής είναι η διερεύνηση του μηχανισμού δράσης αντιβιοτικών που αναστέλλουν την πρωτεϊνική σύνθεση σε συνθήκες που προσομοιάζουν με τις φυσιολογικές του κυττάρου και η μελέτη της επίδρασης του ιοντικού περιβάλλοντος στη δράση αυτών. Τα αντιβιοτικά που μελετήθηκαν ήταν: α) η βλαστισιδίνη, ως κλασικός αναστολέας της πεπτιδυλοτρανσφεράσης (ΡΤάσης), β) το μακρολίδιο τυλοσίνη που αναστέλλει την ΡΤάση, αλλά παράλληλα προσδένεται στην αρχή του τούνελ εξόδου και παρεμποδίζει την πολυπεπτιδική αλυσίδα να εξέλθει από το ριβόσωμα, και γ) τα μακρολίδια ερυθρομυκίνη (πρώτης γενεάς), αζιθρομυκίνη (δεύτερης γενεάς) και τελιθρομυκίνη (μακρολίδιο τρίτης γενεάς ή κετολίδιο), η δράση των οποίων έγκειται στην παρεμπόδιση του τούνελ εξόδου. Εξίσου σημαντική φαίνεται να είναι η επίδραση των μακρολιδίων στη συγκρότηση της 50S ριβοσωματικής υπομονάδας. Ο μηχανισμός δράσης των αντιβιοτικών και η επίδραση του ιοντικού περιβάλλοντος στη δράση τους έγινε αρχικά με κινητικές μελέτες. Το πειραματικό σύστημα που χρησιμοποιήθηκε ήταν η αντίδραση πουρομυκίνης, η οποία μας έδωσε τη δυνατότητα τιτλοδότησης των ενεργών ριβοσωμάτων. Βάσει αυτού μελετήθηκαν τα αντιβιοτικά βλαστισιδίνη και τυλοσίνη που αναστέλλουν άμεσα την ΡΤάση, ενώ για τη μελέτη των υπολοίπων μακρολιδίων διεξήχθησαν πειράματα συναγωνιστικής αναστολής. Ως γνωστό, τα μακρολίδια ερυθρομυκίνη, αζιθρομυκίνη και τελιθρομυκίνη μοιράζονται κοινές θέσεις πρόσδεσης στο ριβόσωμα με την τυλοσίνη. Έτσι, για την εύρεση των σταθερών πρόσδεσης αυτών στο ριβόσωμα έγινε συναγωνισμός με τυλοσίνη. Τα πειράματα συναγωνισμού πραγματοποιήθηκαν, επωάζοντας το ριβόσωμα με μείγμα μακρολιδίου και τυλοσίνης, και τιτλοδοτώντας την απομένουσα δραστικότητα του ριβοσώματος με την αντίδραση πουρομυκίνης απομακρύνοντας την περίσσεια αντιβιοτικών. Σε παράλληλα πειράματα, το ριβόσωμα προεπωάστηκε αρχικά με το μακρολίδιο και στη συνέχεια προστέθηκε τυλοσίνη, η οποία ανιχνεύει το εναπομείναν ριβοσωματικό σύμπλοκο. Επειδή η σταθερά συγγένειας στη δεύτερη περίπτωση βρέθηκε μικρότερη (ισχυρότερη πρόσδεση αντιβιοτικού) συμπεράναμε, ότι ο μηχανισμός πρόσδεσης του αντιβιοτικού είναι βραδύς και ακολουθεί δυο στάδια. Βασιζόμενοι στις τιμές των σταθερών συγγένειας σε πειράματα αναγέννησης του ριβοσωματικού συμπλόκου από την απενεργοποιημένη μορφή του, προσδιορίστηκαν ξεχωριστά όλες οι κινητικές παράμετροι που χαρακτηρίζουν την πρόσδεση του αντιβιοτικού στο ριβόσωμα. Συγκρίναμε τις παραμέτρους αυτές και γενικότερα την ισχύ πρόσδεσης των αντιβιοτικών στο ριβόσωμα σε πέντε ιοντικές συνθήκες: (α) 4,5 mM Mg2+, 150 mM NH4+, (β) 4,5 mM Mg2+, 150 mM NH4+, 100 μΜ σπερμίνη, (γ) 4,5 mM Mg2+, 150 mM NH4+, 50 μΜ σπερμίνη και 2 mM σπερμιδίνη, (δ) 4,5 mM Mg2+, 150 mM NH4+ ριβοσωματικό σύμπλοκο φωτοσημασμένο με 100 μΜ ΑΒΑ-σπερμίνη, και (ε) 10 mM Mg2+, 100 mM NH4+. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι πολυαμίνες βελτιώνουν την πρόσδεση της βλαστισιδίνης, αλλά μειώνουν την πρόσδεση των μακρολιδίων. Η επίδραση των ιόντων Mg2+ προσομοιάζει εκείνης των πολυαμινών, αλλά είναι λιγότερο αποτελεσματική, αφού 100 μΜ σπερμίνης επιφέρουν μεγαλύτερη αναστολή πρόσδεσης, από ότι 10 mM Mg2+. Για να ερμηνευτεί σε μοριακό επίπεδο η επίδραση της σπερμίνης στη συγγένεια των αντιβιοτικών έναντι του ριβοσώματος, οι θέσεις πρόσδεσης των πολυαμινών στο ριβόσωμα προσδιορίστηκαν με φωτοσήμανση συγγένειας, χρησιμοποιώντας ως μοριακό ανιχνευτή ένα φωτοδραστικό ανάλογο της σπερμίνης, την ΑΒΑ-σπερμίνη. Οι θέσεις αυτές αποκάλυψαν ότι οι πολυαμίνες προσδένονται σε γειτονικές θέσεις προς τα αντιβιοτικά, επηρεάζοντας την τοπική διαμόρφωση και το φορτίο. Επιβεβαίωση του μηχανισμού δράσης και της επίδρασης των πολυαμινών έγινε με ανάλυση αποτυπώματος. Σύμφωνα με την τεχνική αυτή, τα μακρολίδια προσδενόμενα στο ριβόσωμα προστατεύουν ορισμένα νουκλεοτίδια από την επίδραση χημικών τροποποιητών. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα αντιβιοτικά διέρχονται μια ενδιάμεση κατάσταση πρόσδεσης στο ριβόσωμα δεσμευόμενα αρχικά στην είσοδο του τούνελ εξόδου και στη συνέχεια εισχωρώντας βαθύτερα σε αυτό. Η φύση της ενδιάμεσης κατάστασης εξαρτάται από τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του κάθε μακρολιδίου. Η επίδραση των πολυαμινών στο μηχανισμό πρόσδεσης ελέγχθηκε επαναλαμβάνοντας τα πειράματα χημικής προστασίας παρουσία αυτών. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η μείωση της πρόσδεσης των μακρολιδίων στο ριβόσωμα επιτελείται κυρίως μέσω της επίδρασης των πολυαμινών στη δέσμευση του υδρόφοβου λακτονικού δακτυλίου. Τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά του κάθε αντιβιοτικού επηρεάζουν ποικιλοτρόπως το μέγεθος της επίδρασης αυτής. Στο τελευταίο κομμάτι της διατριβής μελετήθηκε η ισχύς των μακρολιδίων, υπολογίζοντας την αναστολή που προκαλούν στο συζευγμένο σύστημα μεταγραφής-μετάφρασης του γονιδίου της GFP πρωτεΐνης, και τα αποτελέσματα επιβεβαίωσαν τα κινητικά δεδομένα πρόσδεσης των μακρολιδίων στο ριβόσωμα-στόχο. Σε υψηλή συγκέντρωση ιόντων Mg2+ η τυλοσίνη έχει μεγαλύτερη ισχύ, ενώ σε χαμηλή συγκέντρωση ιόντων απουσία ή παρουσία πολυαμινών η αζιθρομυκίνη. Η τελιθρομυκίνη παρουσίασε τη χαμηλότερη ισχύ πρόσδεσης στο ριβόσωμα και αναστολής της πρωτεϊνικής σύνθεσης. Επιπρόσθετα, ελέγχθηκε πιθανή επίδραση των μακρολιδίων στην πρόσδεση των υποστρωμάτων (tRNAs) στην Α-, Ρ- και Ε- θέση του ριβοσώματος, στη μετατόπιση αυτών από την Α- στην Ρ- θέση και στη μεταφραστική πιστότητα του ριβοσώματος. Βρήκαμε ότι τα μακρολίδια δεν μπορούν να επηρεάσουν αυτά τα στάδια της ριβοσωματικής λειτουργίας. / Ribosomes, the macromolecular translating machines responsible for protein biosynthesis, are the most common targets for many antibacterial agents. Experiments for more than 40 years have demonstrated that a distinct ionic environment (monovalent, divalent cations and polyamines) is essential for ribosomal functions and their interactions with the ligands. Nevertheless, the molecular basis of the ionic environment’s influence on antibiotic mechanism of action has never been precisely elucidated. The aim of this thesis was first to investigate the mechanism of action of several antibiotics –inhibitors of protein synthesis, under ionic conditions close to the cell environment and second, to clarify the role of the ionic environment on their mechanism of action. The antibiotics studied were: a) blasticidin-S, a classic inhibitor of peptidyl tranferase (PTase) activity, b) tylosin which inhibits PTase, but in parallel binds at the entrance of exit tunnel and blocks the passage of the nascent polypeptide chain, and c) erythromycin (a first generation macrolide), azithromycin (a second generation macrolide), and telithromycin (a third generation macrolide, ketolide), that blocks the exit tunnel. The mechanism of action of antibiotics and the influence of ionic environment on antibiotic potency was studied primarily with kinetic methods. The experimental procedure was based on the puromycin reaction, performed under conditions allowing the estimation of the catalytic rate constant. Using this experimental approach we studied the mechanism of action of blasticidin and tylosin which directly inhibit PTase. For studying the other macrolides, experiments employing competitive kinetics were performed. Erythromycin, azithromycin and telithromycin share common binding sites on ribosomes with tylosin. Thus, to estimate the kinetic constants of their interactions with ribosomes, competitive kinetic experiments were carried out in the presence of tylosin. Namely, a posttranslocation ribosomal complex formed from Escherichia coli 70S ribosomes bearing tRNAPhe at the E-site and AcPhe-tRNA at the P-site (complex-C) was incubated with a mixture of each macrolide and tylosin for the desired time intervals. The rest of ribosomal activity was titrated by the puromycin reaction. In parallel experiments, complex-C was pre-incubated with each one of the macrolides and then reacted with tylosin. The rest of complex-C activity was again titrated with the puromycin reaction. Since the affinity constant obtained by the second series of experiments was less than that obtained by the first series of experiments, we concluded that the mechanism of action of antibiotics follows a slow onset inhibition process, which includes two steps. Based on secondary plots and on kinetic plots derived from regeneration of complex-C, we measured the kinetic parameters participating in the kinetic model. Thus, the potency of each antibiotic was determined under five different ionic conditions: (a) 4,5 mM Mg2+, 150 mM NH4+, (b) 4,5 mM Mg2+, 150 mM NH4+, 100 μΜ spermine, (c) 4,5 mM Mg2+, 150 mM NH4+, 50 μΜ spermine and 2 mM spermidine, (d) 4,5 mM Mg2+, 150 mM NH4+, and ribosomal complex photolabelled with 100μΜ ΑΒΑ-spermine, and (e) 10 mM Mg2+, 100 mM NH4+. Processing of the data led us to the conclusion that polyamines and Mg2+ ions increase the potency of blasticidin, but decrease the potency of macrolides. To explain the diverse action of polyamines and of the ionic environment in general on antibiotic potency, the binding sites of spermine in ribosomes were localized by photoaffinity labeling, using a photoactive analogue of spermine, ABA-spermine. These experiments revealed that polyamines bind at the vicinity of antibiotics, influencing the ionic charge and the local conformation of rRNA. Confirmation of the macrolide mechanism of action and verification of the influence of polyamines on their potency was achieved by footprinting analysis. According to this technique, macrolides bind to ribosomes and protect specific nucleotides from modification by chemical reagents like DMS, CMCT and kethoxal. The results demonstrated that the antibiotics (I) form an encounter complex with complex-C (CI), in which the antibiotics occupy the entrance of the exit tunnel. This intermediate complex is then isomerized slowly to a tighter complex (C*I) with which antibiotics move deeply in the exit tunnel. The exact interactions stabilizing the intermediate complex depend on the characteristic groups of each macrolide. The influence of polyamines was checked by repeating the experiment in the presence of polyamines. The results showed that polyamines reduce the macrolide binding to ribosomes, by affecting mainly the interactions of the hydrophobic lactone ring with the ribosome. The special characteristic groups of each macrolide affect the polyamine action. The potency of macrolides action was also estimated using a coupled transcription-translation system for GFP expression. The results obtained were consistent with those produced by kinetic analysis. In addition, we check for possible macrolide effects on tRNA binding at the A-, P- and E- sites of the ribosome, on translocation, and on translational fidelity. No strong effects were identified excluding the macrolide from these ribosomal functions.

Η ΒΥΠ διαθέτει αντίτυπο της διατριβής σε έντυπη μορφή στο βιβλιοστάσιο διδακτορικών διατριβών που βρίσκεται στο ισόγειο του κτιρίου της. / Στα βακτήρια, η μεγάλη ριβοσωματική υπομονάδα αποτελείται από δύο είδη RNA, το 23S και το 5S rRNA, καθώς και 33 πρωτεΐνες. Ο σχηματισμός του πεπτιδικού δεσμού και η απελευθέρωση της πεπτιδικής αλυσίδας επιτελούνται στη μεγάλη υπομονάδα, όπου εδράζεται το καταλυτικό κέντρο της πεπτιδυλοτρανσφεράσης (PTase). Εκτός αυτού, η μεγάλη υπομονάδα περιλαμβάνει το κέντρο προσδέσεως των μεταφραστικών παραγόντων, το οποίο πυροδοτεί τη GTPase δραστηριότητα των G-πρωτεϊνικών παραγόντων, που εμπλέκονται στη μετατόπιση των υποστρωμάτων και άλλες ριβοσωματικές λειτουργίες. Έχει υποτεθεί ότι το 5S rRNA παίζει ουσιώδη ρόλο στη συγκρότηση του κέντρου της PTase και στη μετάδοση σημάτων μεταξύ του καταλυτικού κέντρου και των ριβοσωματικών συστατικών που διεκπεραιώνουν τη μετατόπιση των υποστρωμάτων. Το ιοντικό περιβάλλον φαίνεται να επηρεάζει καθοριστικά τη διαμόρφωση του 5S rRNA. Για παράδειγμα, έχει βρεθεί ότι οι πολυαμίνες δεσμεύονται εκλεκτικά στο 5S rRNA και επηρεάζουν τη δραστικότητα του έναντι του διμεθυλο-θεϊκού, ενός αντιδραστηρίου-ιχνηθέτη της τριτοταγούς δομής του RNA. Αρχικά ελέγξαμε αν υπάρχουν εξειδικευμένες θέσεις πρόσδεσης των πολυαμινών στο 5S rRNA. Στη συνέχεια, με σκοπό να ελέγξουμε αν η πρόσδεση των πολυαμινών επηρεάζει τη λειτουργία του 5S rRNA, 70S ριβοσώματα προγραμματισμένα με πολύ-ουριδυλικό σχηματίσθηκαν από 50S υπομονάδες, ολικά ή εκλεκτικά φωτοσημασμένες με ένα φωτοδραστικό ανάλογο της σπερμίνης και από 30S ακατέργαστες υπομονάδες. Αυτά τα ριβοσώματα είχαν την ικανότητα να δεσμεύουν AcPhe-tRNA ελαφρώς ισχυρότερα, σε σύγκριση με ριβοσώματα συγκροτημένα από φυσικά συστατικά, μη περιέχοντα πολυαμίνες. Το γεγονός αυτό υποδηλώνει ότι η πρόσδεση πολυαμινών στο 5S rRNA επηρεάζει, σε μικρό βαθμό, τη λειτουργία του παράγοντα επιμήκυνσης EF-Tu. Συζευγμένα, όμως, τα εν λόγω ριβοσώματα με tRNAPhe στην Ε-θέση και AcPhe-tRNAστην Ρ-θέση, επέδειξαν ισχυρότερη καταλυτική δραστικότητα και αυξημένη ικανότητα για μετατόπιση των υποστρωμάτων. Τα αποτελέσματα αυτά εισηγούνται σημαντική εμπλοκή των πολυαμινών στο λειτουργικό ρόλο του 5S rRNA κατά την κατάλυση και μετατόπιση των υποστρωμάτων. / In bacteria, the large ribosomal subunit comprises two RNA species, 23S and 5S rRNA, and 33 proteins. Peptide bond formation and peptide release are catalyzed by the large subunit, where the peptidyltransferase (PTase) center is located. In addition to this center, which triggers the GTPase activities of G-protein factors involved in translocation and other ribosomal functions. It has been hypothesized that 5S rRNA plays essential role in assembling the PTase center and mediating signal transmissions between this center and the translocation machinery. Furthermore, the ionic environment seems to affect the conformation of 5S rRNA. For instance, polyamines have been found to bind specifically to 5S rRNA and influence the 5S rRNA reactivity towards dimethyl-sulfate (DMS), a chemical probe of RNA tertiary structure. Initially we examined whether there are specific sites for binding of polyamines. To test whether the binding of polyamines influence the function of 5S rRNA poly(U)-programmed 70S ribosomes were reconstituted from 50S subunits, totally or specifically photolabelled in their 5S rRNA with a photoreactive analogue of spermine, and native 30S subunits. These ribosomes were found to enzymatically bind AcPhe-tRNA better than ribosomes reconstituted from native components. This means, that furnishing 5S rRNA with spermine slightly influences the elongation factor EF-Tu function. However, equipped with tRNAPhe at the A-site and AcPhe-tRNA at the P-site, these ribosomes exhibited higher catalytic activity and enhanced tRNA translocation efficiency. These results suggest an essential impact of polyamines on the functional role of 5S rRNA in catalysis and translocation of translation substrates.