БИОХИМИЯ, 2020, том 85, вып. 5, с. 637–646

УДК 577.322.9

Сборка комплекса 30S субъединицы рибосомы и фактора RbfA S. aureus in vitro для структурных исследований*

© 2020 А.Г. Бикмуллин 1**, Л.И. Нуруллина 1, Н.С. Гараева 1, Э.А. Клочкова 1, Д.С. Блохин 1, А.А. Голубев 1,2, Ш.З. Валидов 1, И.Ш. Хусаинов 1,2,3, К.С. Усачев 1**, М.М. Юсупов 1,2**

Казанский (Приволжский) федеральный университет, 420008 Казань, Россия; электронная почта: aydar.bikmullin@gmail.com; konstantin.usachev@kpfu.ru; marat@igbmc.fr

Институт генетики, молекулярной и клеточной биологии (IGBMC), 67400 Илькирш-Граффенштаден, Франция

Институт биофизики им. Макса Планка, 60438 Франкфурт-на-Майне, Германия

Поступила в редакцию 05.12.2019
После доработки 17.02.2020
Принята к публикации 14.03.2020

DOI: 10.31857/S0320972520050036

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: Staphylococcus aureus, рибосома, криоэлектронная микроскопия, RbfA, фактор трансляции, сборка 30S субъединицы рибосомы.

Аннотация

Связывающий рибосому фактор RbfA из золотистого стафилококка (Staphylococcus aureus) является белком холодовой адаптации и требуется для роста патогенных клеток при пониженных температурах (10–15 °С). RbfA участвует в процессинге 16S рРНК, а также в сборке и стабилизации малой 30S субъединицы рибосомы. Изучение структуры и функции RbfA, структуры комплекса фактора с малой субъединицей, а также механизма их связывания поможет лучше разобраться в деталях такого сложного и фундаментального процесса, как сборка 30S субъединицы рибосомы, определяющего и контролирующего общий уровень биосинтеза белка в целом. В работе описаны протоколы получения фактора RbfA и малых субъединиц рибосом S. aureus, а также оптимизированный протокол сборки и очистки комплекса 30S субъединицы и фактора RbfA для дальнейших структурных исследований методом криоэлектронной микроскопии.

Сноски

* Первоначально английский вариант рукописи опубликован на сайте «Biochemistry» (Moscow) http://protein.bio. msu.ru/biokhimiya, в рубрике «Papers in Press», BM19-314, 27.04.2020.

** Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 18-34-00375).

Благодарности

Выражается благодарность Германской службе академических обменов (DAAD).

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Настоящая статья не содержит исследований с участием людей или использованием животных в качестве объектов.

Список литературы

1. Lowy, F. D. (1998) Medical progress – Staphylococcus aureus infections, N. Engl. J. Med., 339, 520-532, doi: 10.1056/NEJM199808203390806.

2. Kluytmans, J., and Verbrugh, H. (1997) Nasal carriage of Staphylococcus aureus: epidemiology, underlying mechanisms, and associated risks, Clin. Microbiol. Rev., 10, 505-520, doi: 10.1128/CMR.10.3.505.

3. Le Loir, Y., Baron, F., and Gautier, M. (2003) Staphylococcus aureus and food poisoning, Genet. Mol. Res., 2, 63-76.

4. Cimolai, N. (2008) MRSA and the environment: Implications for comprehensive control measures, Eur. J. Clin. Microbiol. Infect. Dis., 27, 481-493, doi: 10.1007/s10096-008-0471-0.

5. Wilson, D. N. (2014) Ribosome-targeting antibiotics and mechanisms of bacterial resistance, Nat. Rev. Microbiol., 12, 35-48, doi: 10.1038/nrmicro3155.

6. Kaczanowska, M., and Rydén-Aulin, M. (2007) Ribosome biogenesis and the translation process in Escherichia coli, Microbiol. Mol. Biol. Rev., 71, 477-94.

7. Shajani, Z., Sykes, M. T., and Williamson, J. R. (2011) Assembly of bacterial ribosomes, Annu. Rev. Biochem., 800, 521-526, doi: 10.1146/annurev-biochem-062608-160432.

8. Starosta, A. L., Lassak, J., Jung, K., and Wilson, D. N. (2014) The bacterial translation stress response, FEMS, 38, 1172-1201, doi: 10.1111/1574-6976.12083.

9. Datta, P. P., Wilson, D. N., Kawazoe, M., Swami, N. K., Kaminishi, T., Sharma, M. R., Booth, T. M., Takemoto, C., Fucini, P., Yokoyama, S., and Agrawal, R. K. (2007) Structural aspects of RbfA action during small ribosomal subunit assembly, Mol. Cell, 9, 434-445, doi: 10.1016/j.molcel.2007.08.026.

10. Xia, B., Ke, H., Shinde, U., and Inouye, M. (2003) The role of RbfA in 16S rRNA processing and cell growth at low temperature in Escherichia coli, J. Mol. Biol, 19, 332, 575-584, doi: 10.1016/S0022-2836(03)00953-7.

11. Huang, Y. J., Swapna, G. V., Rajan, P. K., Ke, H., Xia, B., Shukla, K., Inouye, M., and Montelione, G. T. (2003) Solution NMR structure of ribosome-binding factor A (RbfA), a cold-shock adaptation protein from Escherichia coli, J. Mol. Biol., 21, 327, 521-536, doi: 10.1016/S0022-2836(03)00061-5.

12. Rubin, S. M., Pelton, J. G., Yokota, H., Kim, R., and Wemmer, D. E. (2003) Solution structure of a putative ribosome binding protein from Mycoplasma pneumoniae and comparison to a distant homolog, J. Struct. Funct. Genomics, 4, 235-243, doi: 10.1023/b:jsfg.0000016127.57320.82.

13. Blokhin, D. S., Bikmullin, A. G., Nurullina, L. I., Garaeva, N. S., Validov, Sh. Z., Klochkov, V. V., Aganov, A. V., Khusainov, I. Sh., Yusupov, M. M., and Usachev, K. S. (2018) Backbone and side chain NMR assignments for the ribosome binding factor A (RbfA) from Staphylococcus aureus, Biomol. NMR Assign., 13, 27-30, doi: 10.1007/s12104-018-9845-0.

14. Merino, F., and Raunser, S. (2016) Cryo-EM as a tool for structure-based drug development, Angew. Chem. Int. Ed. Engl., doi: 10.1002/anie.201608432.

15. Cheng, Y., Grigorieff, N., Penczek, P. A., and Walz, T. (2015) A primer to single-particle cryo-electron microscopy, Cell, 161, 438-449, doi: 10.1016/j.cell.2015.03.050.

16. Binshtein, E., and Ohi, M. D. (2015) Cryo-electron microscopy and the amazing race to atomic resolution, Biochemistry, 54, 3133-3141, doi: 10.1021/acs.biochem.5b00114.

17. Vonk, J., and Mills, D. J. (2017) Advances in high-resolution cryo-EM of oligomeric enzymes, Curr. Opin. Struct. Biol., 46, 48-54, doi: 10.1016/j.sbi.2017.05.016.

18. Shimokava-Chiba, N., Muller, C., Fujiwara, K., Beckert, B., Koreaki, I., Wilson, D. N., and Chiba, S. (2019) Release factor-dependent ribosome rescue by BrfA in the Gram-positive bacterium Bacillus subtilis, Nat. Commun., 10, 5397, doi: 10.1038/s41467-019-13408-7.

19. Khusainov, I., Vicens, Q., Ayupov, R., Usachev, K., Myasnikov, A., Simonetti, A., Validov, Sh., Kieffer, B., Yusupova, G., Yusupov, M., and Hashem, Y. (2017) Structures and dynamics of hibernating ribosomes from Staphylococcus aureus mediated by intermolecular interactions of HPF, EMBO J., 36, 2073-2087, doi: 10.15252/embj.201696105.

20. Li, X., Sun, Q., Jiang, C., Yang, K., Hung, L., Zhang, J., and Sacchettini, J. C. (2015) Structure of ribosomal silencing factor bound to Mycobacterium tuberculosis ribosome, Structure, 23, 1858-1865, doi: 10.1016/j.str.2015.07.014.

21. Mishra, S., Ahmed, T., Tyagi, A., Shi, J., and Bhushan, S. (2018) Structures of Mycobacterium smegmatis 70S ribosomes in complex with HPF, tmRNA, and P-tRNA, Sci. Rep., 8, 13587, doi: 10.1038/s41598-018-31850-3.

22. Ayupov, R. Kh., Khusainov, I. Sh., Validov, S. Z., Yusupova, G. Z., and Yusupov, M. M. (2016) Isolation and purification of Staphylococcus aureus hibernation-promoting factor inactivating of the ribosome, Int. J. Pharm. Technol., 8, 14392-14398.

23. Khusainov, I., Vicens, Q., Bochler, A., Grosse, F., Myasnikov, A., Ménétret, J. F., Chicher, J., Marzi, S., Romby, P., Yusupova, G., Yusupov, M., and Hashem, Y. (2016) Structure of the 70S ribosome from human pathogen Staphylococcus aureus, Nucleic Acids Res., 44, 10491-10504, doi: 10.1093/nar/gkw933.

24. Weiss, R. L., Kimes, B. W., and Morris, D. R. (1973) Cations and ribosome structure. III. Effects on the 30S and 50S subunits of replacing bound Mg2+ by inorganic cations, Biochemistry, 12, 450-456.

25. Guo, F., and Jiang, W. (2014) Single particle cryo-electron microscopy and 3-D reconstruction of viruses, Methods Mol. Biol., 1117, 401-443, doi: 10.1007/978-1-62703-776-1_19.

26. Laemmli, U. K. (1970) Cleavage of structural proteins during the assembly of the head of bacteriophage T4, Nature, 227, 680-685.

27. Vasiliev, V. D. (1974) Morphology of the ribosomal 30S subparticle according to electron microscopic data, Acta Biol. Med. Ger., 33, 779-793.