БИОХИМИЯ, 2020, том 85, вып. 11, с. 1690–1700

УДК 577.322.9

Гибернация – стадия функционирования рибосом

Обзор

© 2020 К.С. Усачев 1, М.М. Юсупов 1,2*, Ш.З. Валидов 1

Казанский (Приволжский) федеральный университет, 420008 Казань, Россия; электронная почта: marat@igbmc.fr

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

Поступила в редакцию 30.07.2020
После доработки 28.08.2020
Принята к публикации 28.08.2020

DOI: 10.31857/S0320972520110111

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: рибосома, трансляция, гибернация, сайленсинг.

Аннотация

Эубактерии в ответ на стрессовые условия снижают уровень синтеза белка: разбирают рибосомы на 30S и 50S субъединицы или превращают их в трансляционно неактивные 70S и 100S комплексы. При этом решаются две принципиально важные для клетки задачи: 1) снижение расходов на биосинтез белка в неблагоприятных условиях и 2) консервация функциональных рибосом для быстрого возобновления синтеза белка при восстановлении внешних благоприятных условий. Все известные гены белков сайленсинга или гибернации рибосом располагаются в оперонах, связанных с ответом на голодание, как одним из стрессов, что очевидно помогает координировать замедление синтеза белка и общий ответ на стрессы. Вероятно, системы гибернации могут работать как регуляторы, которые позволяют привести скорость синтеза белка в соответствие с энергетическим состоянием клетки. Учитывая лимитированное количество питательных веществ в естественных условиях и постоянное действие других стрессов на бактериальную клетку, бактериальная рибосома должна проводить большую часть времени в комплексе с белками сайленсинга/гибернации. Таким образом, между стадией рециркуляции и стадией инициации трансляции существует дополнительная стадия, в которой рибосома поддерживается в «консервированном» состоянии в виде субъединиц, нетранслирующих 70S частиц или 100S димеров. Механизм гибернации рибосом консервативен, прошел долгий эволюционный путь и необходим для поддержания энергозатратного и ресурсоемкого процесса биосинтеза белка в организмах, обреченных на жизнь в меняющихся условиях окружающей среды в условиях стресса.

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 20-34-70021).

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в финансовой или какой-либо иной сфере.

Соблюдение этических норм

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

Список литературы

1. Bergkessel, M., Basta, D. W., and Newman, D. K. (2016) The physiology of growth arrest: uniting molecular and environmental microbiology, Nat. Rev. Microbiol., 14, 549-562, doi: 10.1038/nrmicro.2016.107.

2. Monod, J. (1947) Kinetics of bacterial growth, Nature, 160, 105-106.

3. Kolter, R., Siegele, D. A., and Tormo, A. (1993) The stationary phase of the bacterial life cycle, Annu. Rev. Microbiol., 47, 855-874, doi: 10.1146/annurev.mi.47.100193.004231.

4. Battesti, A., Majdalani, N., and Gottesman, S. (2011) The RpoS-mediated general stress response in Escherichia coli, Annu. Rev. Microbiol., 65, 189-213, doi: 10.1146/annurev-micro-090110-102946.

5. Gefen, O., Fridman, O., Ronin, I., and Balaban, N. Q. (2014) Direct observation of single stationary-phase bacteria reveals a surprisingly long period of constant protein production activity, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 111, 556-561, doi: 10.1073/pnas.1314114111.

6. Finkel, S. E. (2006) Long-term survival during stationary phase: evolution and the GASP phenotype, Nat. Rev. Microbiol., 4, 113-120, doi: 10.1038/nrmicro1340.

7. Williamson, K. S., Richards, L. A., Perez-Osorio, A. C., Pitts, B., McInnerney, K., Stewart, P. S., and Franklin, M. J. (2012) Heterogeneity in Pseudomonas aeruginosa biofilms includes expression of ribosome hibernation factors in the antibiotic-tolerant subpopulation and hypoxia-induced stress response in the metabolically active population, J. Bacteriol., 194, 2062-2073, doi: 10.1128/JB.00022-12.

8. Tan, N. C., Cooksley, C. M., Roscioli, E., Drilling, A. J., Douglas, R., Wormald, P. J., and Vreugde, S. (2014) Small-colony variants and phenotype switching of intracellular Staphylococcus aureus in chronic rhinosinusitis, Allergy, 69, 1364-1371, doi: 10.1111/all.12457.

9. Tuchscherr, L., Medina, E., Hussain, M., Volker, W., Heitmann, V., et al. (2011) Staphylococcus aureus phenotype switching: an effective bacterial strategy to escape host immune response and establish a chronic infection, EMBO Mol. Med., 3, 129-141, doi: 10.1002/emmm.201000115.

10. Ancona, V., Li, W., and Zhao, Y. (2014) Alternative sigma factor RpoN and its modulation protein YhbH are indispensable for Erwinia amylovora virulence, Mol. Plant. Pathol., 15, 58-66, doi: 10.1111/mpp.12065.

11. Aitken, C. E., Petrov, A., and Puglisi, J. D. (2010) Single ribosome dynamics and the mechanism of translation, Annu. Rev. Biophys., 39, 491-513, doi: 10.1146/annurev.biophys.093008.131427.

12. Yusupov, M. M., Yusupova, G. Z., Baucom, A., Lieberman, K., Earnest, T. N., Cate, J. H., and Noller, H. F. (2001) Crystal structure of the ribosome at 5.5 Å reso-lution, Science, 292, 883-896, doi: 10.1126/science.1060089.

13. Ben-Shem, A., Garreau de Loubresse, N., Melnikov, S., Jenner, L., Yusupova, G., and Yusupov, M. (2011) The structure of the eukaryotic ribosome at 3.0 Å resolution, Science, 334, 1524-1529, doi: 10.1126/science.1212642.

14. Laursen, B. S., Sorensen, H. P., Mortensen, K. K., and Sperling-Petersen, H. U. (2005) Initiation of protein synthesis in bacteria, Microbiol. Mol. Biol. Rev., 69, 101-123, doi: 10.1128/MMBR.69.1.101-123.2005.

15. Tollerson, R., 2nd, and Ibba, M. (2020) Translational regulation of environmental adaptation in bacteria, J. Biol. Chem., 295, 10434-10445, doi: 10.1074/jbc.REV120.012742.

16. Korostelev, A. A. (2011) Structural aspects of translation termination on the ribosome, RNA, 17, 1409-1421, doi: 10.1261/rna.2733411.

17. Pai, R. D., Zhang, W., Schuwirth, B. S., Hirokawa, G., Kaji, H., Kaji, A., and Cate, J. H. (2008) Structural insights into ribosome recycling factor interactions with the 70S ribosome, J. Mol. Biol., 376, 1334-1347, doi: 10.1016/j.jmb.2007.12.048.

18. Simonetti, A., Marzi, S., Jenner, L., Myasnikov, A., Romby, P., Yusupova, G., Klaholz, B. P., and Yusupov, M. (2009) A structural view of translation initiation in bacteria, Cell. Mol. Life Sci., 66, 423-436.

19. Nilsson, J., and Nissen, P. (2005) Elongation factors on the ribosome, Curr. Opin. Struc. Biol., 15, 349-354, doi: 10.1016/j.sbi.2005.05.004.

20. Huter, P., Arenz, S., Bock, L. V., Graf, M., Frister, J. O., et al. (2017) Structural basis for polyproline-mediated ribosome stalling and rescue by the translation elongation factor EF-P, Mol. Cell, 68, 515-527, doi: 10.1016/j.molcel.2017.10.014.

21. Golubev, A. A., Validov, S. Z., Usachev, K. S., and Yusupov, M. M. (2019) Elongation factor P: new mechanisms of function and an evolutionary diversity of translation regulation, Mol. Biol., 53, 501-512, doi: 10.1134/S0026893319040034.

22. Zhou, D., Tanzawa, T., Lin, J., and Gagnon, M. G. (2020) Structural basis for ribosome recycling by RRF and tRNA, Nat. Struct. Mol. Biol., 27, 25-32, doi: 10.1038/s41594-019-0350-7.

23. Seshadri, A., and Varshney, U. (2006) Mechanism of recycling of post-termination ribosomal complexes in eubacteria: a new role of initiation factor 3, J. Biosciences, 31, 281-289, doi: 10.1007/Bf02703921.

24. Udagawa, T., Shimizu, Y., and Ueda, T. (2004) Evidence for the translation initiation of leaderless mRNAs by the intact 70 S ribosome without its dissociation into subunits in eubacteria, J. Biol. Chem., 279, 8539-8546, doi: 10.1074/jbc.M308784200.

25. Prossliner, T., Winther, K. S., Sorensen, M. A., and Gerdes, K. (2018) Ribosome hibernation, Annu. Rev. Genet., 52, 321-348, doi: 10.1146/annurev-genet-120215-035130.

26. McCarthy, B. J. (1960) Variation in bacterial ribosomes, Biochim. Biophys. Acta, 39, 563-564.

27. Beckert, B., Turk, M., Czech, A., Berninghausen, O., Beckmann, R., et al. (2018) Structure of a hibernating 100S ribosome reveals an inactive conformation of the ribosomal protein S1, Nat. Microbiol., 3, 1115-1121, doi: 10.1038/s41564-018-0237-0.

28. Khusainov, I., Vicens, Q., Ayupov, R., Usachev, K., Myasnikov, A., et al. (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.

29. Matzov, D., Aibara, S., Basu, A., Zimmerman, E., Bashan, A., Yap, M. N. F., Amunts, A., and Yonath, A. E. (2017) The cryo-EM structure of hibernating 100S ribosome dimer from pathogenic Staphylococcus aureus, Nat. Comm., 8, 723, doi: 10.1038/s41467-017-00753-8.

30. Polikanov, Y. S., Blaha, G. M., and Steitz, T. A. (2012) How hibernation factors RMF, HPF, and YfiA turn off protein synthesis, Science, 336, 915-918, doi: 10.1126/science.1218538.

31. Khusainov, I., Fatkhullin, B., Pellegrino, S., Bikmullin, A., Liu, W. T., et al. (2020) Mechanism of ribosome shutdown by RsfS in Staphylococcus aureus revealed by integrative structural biology approach, Nat. Commun., 11, 1656, doi: 10.1038/s41467-020-15517-0.

32. Yamagishi, M., Matsushima, H., Wada, A., Sakagami, M., Fujita, N., and Ishihama, A. (1993) Regulation of the Escherichia coli rmf gene encoding the ribosome modulation factor: growth phase- and growth rate-dependent control, EMBO J., 12, 625-630.

33. Shimada, T., Yoshida, H., and Ishihama, A. (2013) Involvement of cyclic AMP receptor protein in regulation of the rmf gene encoding the ribosome modulation factor in Escherichia coli, J. Bacteriol., 195, 2212-2219, doi: 10.1128/Jb.02279-12.

34. Izutsu, K., Wada, A., and Wada, C. (2001) Expression of ribosome modulation factor (RMF) in Escherichia coli requires ppGpp, Genes Cells, 6, 665-676, doi: 10.1046/j.1365-2443.2001.00457.x.

35. Song, S., and Wood, T. K. (2020) ppGpp ribosome dimerization model for bacterial persister formation and resuscitation, Biochem. Biophys. Res. Commun., 523, 281-286, doi: 10.1016/j.bbrc.2020.01.102.

36. Sato, A., Watanabe, T., Maki, Y., Ueta, M., Yoshida, H., Ito, Y., Wada, A., and Mishima, M. (2009) Solution structure of the E. coli ribosome hibernation promoting factor HPF: implications for the relationship between structure and function, Biochem. Biophys. Res. Commun., 389, 580-585, doi: 10.1016/j.bbrc.2009.09.022.

37. Neira, J. L., Giudici, A. M., Hornos, F., Arbe, A., and Rizzuti, B. (2018) The C terminus of the ribosomal-associated protein LrtA is an intrinsically disordered oligomer, Int. J. Mol. Sci., 19, doi: 10.3390/ijms19123902.

38. Flygaard, R. K., Boegholm, N., Yusupov, M., and Jenner, L. B. (2018) Cryo-EM structure of the hibernating Thermus thermophilus 100S ribosome reveals a protein-mediated dimerization mechanism, Nat. Commun., 9, 4179, doi: 10.1038/s41467-018-06724-x.

39. Boerema, A. P., Aibara, S., Paul, B., Tobiasson, V., Kimanius, D., et al. (2018) Structure of the chloro-plast ribosome with chl-RRF and hibernation-promoting factor, Nat. Plants, 4, 615-615, doi: 10.1038/s41477-018-0203-0.

40. Usachev, K. S., Fatkhullin, B. F., Klochkova, E. A., Miftakhov, A. K., Golubev, A. A., et al. (2020) Dimerization of long hibernation promoting factor from Staphylococcus aureus: structural analysis and biochemical characterization, J. Struct. Biol., 209, 107408, doi: 10.1016/j.jsb.2019.107408.

41. Ueta, M., Yoshida, H., Wada, C., Baba, T., Mori, H., and Wada, A. (2005) Ribosome binding proteins YhbH and YfiA have opposite functions during 100S formation in the stationary phase of Escherichia coli, Genes Cells, 10, 1103-1112, doi: 10.1111/j.1365-2443.2005.00903.x.

42. Beckert, B., Abdelshahid, M., Schafer, H., Steinchen, W., Arenz, S., Berninghausen, O., Beckmann, R., Bange, G., Turgay, K., and Wilson, D. N. (2017) Structure of the Bacillus subtilis hibernating 100S ribosome reveals the basis for 70S dimerization, Embo J., 36, 2061-2072, doi: 10.15252/embj.201696189.

43. Franken, L. E., Oostergetel, G. T., Pijning, T., Puri, P., Arkhipova, V., Boekema, E. J., Poolman, B., and Guskov, A. (2017) A general mechanism of ribosome dimerization revealed by single-particle cryo-electron microscopy, Nat. Commun., 8, 722, doi: 10.1038/s41467-017-00718-x.

44. McKay, S. L., and Portnoy, D. A. (2015) Ribosome hibernation facilitates tolerance of stationary-phase bacteria to aminoglycosides, Antimicrob. Agents Chemother., 59, 6992-6999, doi: 10.1128/AAC.01532-15.

45. Yusupov, M. M., and Spirin, A. S. (1986) Are there proteins between the ribosomal subunits? Hot tritium bombardment experiments, FEBS Lett., 197, 229-233, doi: 10.1016/0014-5793(86)80332-5.

46. Link, A. J., Robison, K., and Church, G. M. (1997) Com-paring the predicted and observed properties of proteins encoded in the genome of Escherichia coli K-12, Electrophoresis, 18, 1259-1313, doi: 10.1002/elps.1150180807.

47. Agafonov, D. E., Kolb, V. A., Nazimov, I. V., and Spirin, A. S. (1999) A protein residing at the subunit interface of the bacterial ribosome, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 96, 12345-12349, doi: 10.1073/pnas.96.22.12345.

48. Agafonov, D. E., Kolb, V. A., and Spirin, A. S. (2001) Ribosome-associated protein that inhibits translation at the aminoacyl-tRNA binding stage, EMBO Rep., 2, 399-402, doi: 10.1093/embo-reports/kve091.

49. Di Pietro, F., Brandi, A., Dzeladini, N., Fabbretti, A., Carzaniga, T., Piersimoni, L., Pon, C. L., and Giuliodori, A. M. (2013) Role of the ribosome-associated protein PY in the cold-shock response of Escherichia coli, MicrobiologyOpen, 2, 293-307, doi: 10.1002/mbo3.68.

50. Hauser, R., Pech, M., Kijek, J., Yamamoto, H., Titz, B., et al. (2012) RsfA (YbeB) proteins are conserved ribosomal silencing factors, PLoS Genet., 8, e1002815, doi: 10.1371/journal.pgen.1002815.

51. Wanschers, B. F. J., Szklarczyk, R., Pajak, A., van den Brand, M. A. M., Gloerich, J., et al. (2012) C7orf30 specifically associates with the large subunit of the mitochondrial ribosome and is involved in translation, Nucleic Acids Res., 40, 4040-4051, doi: 10.1093/nar/gkr1271.

52. Jiang, M., Sullivan, S. M., Walker, A. K., Strahler, J. R., Andrews, P. C., and Maddock, J. R. (2007) Identification of novel Escherichia coli ribosome-associated proteins using isobaric tags and multidimensional protein identification techniques, J. Bacteriol., 189, 3434-3444, doi: 10.1128/Jb.00090-07.

53. Feaga, H. A., Kopylov, M., Kim, J. K., Jovanovic, M., and Dworkin, J. (2020) Ribosome dimerization protects the small subunit, J. Bacteriol., 202, e00009-20, doi: 10.1128/JB.00009-20.

54. Traub, P., and Nomura, M. (1968) Structure and function of E. coli ribosomes. V. Reconstitution of functionally active 30S ribosomal particles from RNA and proteins, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 59, 777-784, doi: 10.1073/pnas.59.3.777.

55. Mulder, A. M., Yoshioka, C., Beck, A. H., Bunner, A. E., Milligan, R. A., Potter, C. S., Carragher, B., and Williamson, J. R. (2010) Visualizing ribosome biogenesis: parallel assembly pathways for the 30S subunit, Science, 330, 673-677, doi: 10.1126/science.1193220.

56. Nord, S., Bhatt, M. J., Tukenmez, H., Farabaugh, P. J., and Wikstrom, P. M. (2015) Mutations of ribosomal protein S5 suppress a defect in late-30S ribosomal subunit biogenesis caused by lack of the RbfA biogenesis factor, RNA, 21, 1454-1468, doi: 10.1261/rna.051383.115.

57. Sashital, D. G., Greeman, C. A., Lyumkis, D., Potter, C. S., Carragher, B., and Williamson, J. R. (2014) A combined quantitative mass spectrometry and electron microscopy analysis of ribosomal 30S subunit assembly in E. coli, Elife, 3, e04491, doi: 10.7554/eLife.04491.

58. Clatterbuck Soper, S. F., Dator, R. P., Limbach, P. A., and Woodson, S. A. (2013) In vivo X-ray footprinting of pre-30S ribosomes reveals chaperone-dependent remodeling of late assembly intermediates, Mol. Cell, 52, 506-516, doi: 10.1016/j.molcel.2013.09.020.

59. Wilson, D. N., and Nierhaus, K. H. (2007) The weird and wonderful world of bacterial ribosome regulation, Crit. Rev. Biochem. Mol. Biol., 42, 187-219, doi: 10.1080/10409230701360843.

60. 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 , 327, 521-536, doi: 10.1016/s0022-2836(03)00061-5.

61. 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. Genom., 4, 235-243, doi: 10.1023/b:jsfg.0000016127.57320.82.

62. Lovgren, J. M., Bylund, G. O., Srivastava, M. K., Lundberg, L. A., Persson, O. P., Wingsle, G., and Wikstrom, P. M. (2004) The PRC-barrel domain of the ribosome maturation protein RimM mediates binding to ribosomal protein S19 in the 30S ribosomal subunits, RNA, 10, 1798-1812, doi: 10.1261/rna.7720204.

63. Leong, V., Kent, M., Jomaa, A., and Ortega, J. (2013) Escherichia coli rimM and yjeQ null strains accumulate immature 30S subunits of similar structure and protein complement, RNA, 19, 789-802, doi: 10.1261/rna.037523.112.

64. Grishin, N. V. (2001) KH domain: one motif, two folds, Nucleic Acids Res., 29, 638-643, doi: 10.1093/nar/29.3.638.

65. Anantharaman, V., and Aravind, L. (2002) The PRC-barrel: a widespread, conserved domain shared by photosynthetic reaction center subunits and proteins of RNA metabolism, Genome Biol., 3, RESEARCH0061, doi: 10.1186/gb-2002-3-11-research0061.

66. Guo, Q., Goto, S., Chen, Y., Feng, B., Xu, Y., Muto, A., Himeno, H., Deng, H., Lei, J., and Gao, N. (2013) Dissecting the in vivo assembly of the 30S ribosomal subunit reveals the role of RimM and general features of the assembly process, Nucleic Acids Res., 41, 2609-2620, doi: 10.1093/nar/gks1256.

67. Berti, A. D., Shukla, N., Rottier, A. D., McCrone, J. S., Turner, H. M., Monk, I. R., Baines, S. L., Howden, B. P., Proctor, R. A., and Rose, W. E. (2018) Daptomycin selects for genetic and phenotypic adaptations leading to antibiotic tolerance in MRSA, J. Antimicrob. Chemother., 73, 2030-2033, doi: 10.1093/jac/dky148.

68. Yoshida, H., and Wada, A. (2014) The 100S ribosome: ribosomal hibernation induced by stress, Wiley Interdiscip. Rev. RNA, 5, 723-732, doi: 10.1002/wrna.1242.

69. Ueta, M., Wada, C., Daifuku, T., Sako, Y., Bessho, Y., et al. (2013) Conservation of two distinct types of 100S ribosome in bacteria, Genes Cells, 18, 554-574, doi: 10.1111/gtc.12057.

70. Basu, A., Shields, K. E., and Yap, M. F. (2020) The hibernating 100S complex is a target of ribosome-recycling factor and elongation factor G in Staphylococcus aureus, J. Biol. Chem., 295, 6053-6063, doi: 10.1074/jbc.RA119.012307.