БИОХИМИЯ, 2025, том 90, вып. 11, с. 1657–1669

УДК 577.214.5;577.22

История Е‑сайта рибосомы не кончается

Обзор

© 2025 В.Г. Метелев 1, А.А. Богданов 1,2,3*bogdanov@belozersky.msu.ru

1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, химический факультет, 119991 Москва, Россия

2 НИИ физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, 119992 Москва, Россия

3 ФГБУН ГНЦ РФ Институт биоорганической химии имени академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН, 117997 Москва, Россия

Поступила в редакцию 11.08.2025
После доработки 16.09.2025
Принята к публикации 17.09.2025

DOI: 10.7868/S3034529425110089

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: Е‑сайт рибосомы, Е‑тРНК, ингибиторы трансляции, аминоацил-тРНК‑синтетазы.

Аннотация

В настоящей обзорной статье в свете современных структурных данных обсуждается функциональная роль Е‑сайта рибосомы, который, согласно традиционным представлениям, предназначен лишь для связывания деацилированной тРНК (Е‑тРНК), предшествующего диссоциации этой молекулы из белоксинтезирующего комплекса. Рассмотрены специфические контакты Е‑тРНК с рРНК больших субъединиц рибосом из разных источников, а также последовательность их образования и разрушения. Рассмотрен механизм подавления трансляции ингибиторами, местом связывания которых является Е‑сайт рибосомы. На основании современных данных о локализации аминоацил-тРНК‑синтетаз (АРС) в непосредственном окружении рибосомы сформулирована гипотеза о том, что одним из главных предназначений Е‑сайта рибосомы является модулируемая им подготовка тРНК к образованию специфического комплекса с АРС, в виде которого она покидает рибосому.

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Вклад авторов

В.М. проанализировал данные и подготовил все рисунки. А.Б. разработал проект. Все авторы внесли значительный вклад в анализ литературных данных и в написание рукописи.

Финансирование

Исследование выполнено в рамках государственного задания МГУ имени М.В. Ломоносова, регистрационный номер 121031300037-7.

Благодарности

Авторы благодарят А.С. Манькина и рецензента за внимательное прочтение рукописи и конструктивные предложения.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Настоящая статья не содержит описания каких-либо исследований с участием людей или животных в качестве объектов.

Список литературы

1. Voorhees, R. M., and Ramakrishnan, V. (2013) Structural basis of the translational elongation cycle, Annu. Rev. Biochem., 82, 203-236, https://doi.org/10.1146/annurev-biochem-113009-092313.

2. Nierhaus, K. H. (1990) The allosteric 3-Site model for the ribosomal elongation cycle features and future, Biochemistry, 29, 4997-5008, https://doi.org/10.1021/bi00473a001.

3. Semenkov, Y. P., Rodnina, M. V., and Wintermeyer, W. (1996) The “allosteric three-site model” of elongation cannot be confirmed in a well-defined ribosome system from Escherichia coli, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 93, 12183-12188, https://doi.org/10.1073/pnas.93.22.12183.

4. Wilson, D. N., and Nierhaus, K. H. (2006) The E-site story: the importance of maintaining two tRNAs on the ribosome during protein synthesis, Cell. Mol. Life Sci., 63, 2725-2737, https://doi.org/10.1007/s00018-006-6125-4.

5. Ban, N., Nissen, P., Hansen, J., Moore, P. B., and Steitz, T. A. (2000) The complete atomic structure of the large ribosomal subunit at 2.4 Å resolution, Science, 289, 905-920, https://doi.org/10.1126/science.289.5481.905.

6. Schluenzen, F., Tocilj, A., Zarivach, R., Harms, J., Gluehmann, M., Janell, D., Bashan, A., Bartels, H., Agmon, I., Franceschi, F., and Yonath, A. (2000) Structure of functionally activated small ribosomal subunit at 3.3 Å resolution, Cell, 102, 615-623, https://doi.org/10.1016/S0092-8674(00)00084-2.

7. Wimberly, B. T., Brodersen, D. E., Clemons, W. M., Jr., Morgan-Warren, R. J., Carter, A. P., Vonrhein, C., Hartsch, T., and Ramakrishnan, V. (2000) Structure of the 30S ribosomal subunit, Nature, 407, 327-339, https://doi.org/10.1038/35030006.

8. 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 resolution, Science, 292, 883-896, https://doi.org/10.1126/science.1060089.

9. Frank, J. (2017) Time-resolved cryo-electron microscopy: recent progress, J. Struct. Biol., 200, 303-306, https://doi.org/10.1016/j.jsb.2017.06.005.

10. Frank, J. (2018) New opportunities created by single-particle cryo-EM: the mapping of conformational space, Biochemistry, 57, 888, https://doi.org/10.1021/acs.biochem.8b00064.

11. Jobe, A., Liu, Z., Gutierrez-Vargas, C., and Frank, J. (2019) New insights into ribosome structure and function, Cold Spring Harb. Perspect. Biol., 11, a032615, https://doi.org/10.1101/cshperspect.a032615.

12. Flis, J., Holm, M., Rundlet, E.J., Loerke, J., Hilal, T., Dabrowski, M., Burger, J., Mielke, T., Blanchard, S. C., Spahn, C. M. T., and Budkevich, T. V. (2018) tRNA translocation by the eukaryotic 80S ribosome and the impact of GTP hydrolysis, Cell Rep., 25, 2676-2688, https://doi.org/10.1016/j.celrep.2018.11.040.

13. Nishima, W., Girodat, D., Holm, M., Rundlet, E. J., Alejo, J. L., Fischer, K., Blanchard, S. C., and Sanbonmatsu, K. Y. (2022) Hyper-swivel head domain motions are required for complete mRNA-tRNA translocation and ribosome resetting, Nucleic Acids Res., 50, 8302-8320, https://doi.org/10.1093/nar/gkac597.

14. Lodmell, J. S., and Dahlberg, A. E. (1997) A conformational switch in Escherichia coli 16S ribosomal RNA during decoding of messenger RNA, Science, 277, 1262-1267, https://doi.org/10.1126/science.277.5330.1262.

15. Dorner, S., Brunelle, J. L., Sharma, D., and Green, R. (2006) The hybrid state of tRNA binding is an authentic translation elongation intermediate, Nat. Struct. Mol. Biol., 13, 234-241, https://doi.org/10.1038/nsmb1060.

16. Noller, H. F., Lancaster, L., Mohan, S., and Zhou, J. (2017) Ribosome structural dynamics in translocation: yet another functional role for ribosomal RNA, Quart. Rev. Biophys., 50, e12, https://doi.org/10.1017/S0033583517000117.

17. Korostelev, A. A. (2022) The structural dynamics of translation, Annu. Rev. Biochem., 91, 245-267, https://doi.org/10.1146/annurev-biochem-071921-122857.

18. Lindahl, L. (2024) Ribosome structural changes dynamically affect ribosome function, Int. J. Mol. Sci., 25, 11186, https://doi.org/10.3390/ijms252011186.

19. Hassan, A., Byju, S., Freitas, F. C., Roc, C., Pender, N., Nguyen, K., Kimbrough, E. M., Mattingly, J. M., Gonzalez, R. L. Jr., Oliveira, R. J., Dunham, C. M., and Whitford, P. C. (2023) Ratchet, swivel, tilt and roll: a complete description of subunit rotation in the ribosome, Nucleic Acids Res., 51, 919-934, https://doi.org/10.1093/nar/gkac1211.

20. Gao, Y. G., Selmer, M., Dunham, C. M., Weixlbaumer, A., Kelley, A. C., and Ramakrishnan, V. (2009) The structure of the ribosome with elongation factor G trapped in the posttranslocational state, Science, 30, 694-699, https://doi.org/10.1126/science.1179709.

21. Seely, S. M., Parajuli, N. P., De Tarafder, A., Ge, X., Sanyal, S., and Gagnon, M. G. (2023) Molecular basis of the pleiotropic effects by the antibiotic amikacin on the ribosome, Nat. Commun., 14, 4666-4666, https://doi.org/10.1038/s41467-023-40416-5.

22. Rundlet, E. J., Holm, M., Schacherl, M., Natchiar, S. K., Altman, R. B., Spahn, C. M. T., Myasnikov, A. G., and Blanchard, S. C. (2021) Structural basis of early translocation events on the ribosome, Nature, 595, 741-745, https://doi.org/10.1038/s41586-021-03713-x.

23. Mattingly, J. M., Nguyen, H. A., Roy, B., Fredrick, K., and Dunham, C. M. (2024) Structural analysis of noncanonical translation initiation complexes, J. Biol. Chem., 300, 107743, https://doi.org/10.1016/j.jbc.2024.107743.

24. Mohan, S., and Noller, H. F. (2017) Recuring RNA structural motifs underlie the mechanics of L1 stalk movement, Nat. Commun., 8, 14285, https://doi.org/10.1038/ncomms14285.

25. Lehmann, J., Jossinet, F., and Gautheret, D. (2013) A universal RNA structural motif docking the elbow of tRNA in the ribosome, RNAse P and T-box leaders, Nucleic Acids Res., 41, 5494-5502, https://doi.org/10.1093/nar/gkt219.

26. Baulin, E., Metelev, V., and Bogdanov, A. (2020) Base-intercalated and base-wedged stacking elements in 3D-structure of RNA and RNA-protein complexes, Nucleic Acids Res., 48, 8675-8685, https://doi.org/10.1093/nar/gkaa610.

27. Metelev, V. G., Baulin, E. F., and Bogdanov, A. A. (2023) Multiple non-canonical base-stacking interactions as one of the major determinants of RNA tertiary structure organization, Biochemistry (Moscow), 88, 792-800, https://doi.org/10.1134/S000629792306007X.

28. Metelev, V. G., Baulin, E. F., and Bogdanov, A. A. (2024) Role of non-canonical stacking interactions of heterocyclic RNA bases in ribosome function, Biochemistry (Moscow), 89, 2252-2262, https://doi.org/10.1134/S0006297924120137.

29. Carbone, C. E., Loveland, A. B., Gamper Jr., H. B., Hou, Y. M., Demo, G., and Korostelev, A. A. (2021) Time-resolved cryo-EM visualizes ribosomal translocation with EF-G and GTP, Nat Commun., 12, 7236-7236, https://doi.org/10.1038/s41467-021-27415-0.

30. Tourigny, D. S., Fernández, I. S., Kelley, A. C., and Ramakrishnan, V. (2013) Elongation factor G bound to the ribosome in an intermediate state of translocation, Science, 28, 1235490, https://doi.org/10.1126/science.1235490.

31. Lill, R., Lepier, A., Schwagele, F., Sprinzl, M., Vogt, H., and Wintermeyer, W. (1988) Specific recognition of the 3′-terminal adenosine of tRNAPhe in the exit site of Escherichia coli ribosomes, J. Mol. Biol., 203, 699-705, https://doi.org/10.1016/0022-2836(88)90203-3.

32. Moazed, D., and Noller, H. F. (1989) Interaction of tRNA with 23S rRNA in the ribosomal A, P, and E sites, Cell, 19, 585-597, https://doi.org/10.1016/0092-8674(89)90128-1.

33. Lill, R., Robertson, J. M., and Wintermeyer, W. (1989) Binding of the 3′ terminus of tRNA to 23S RNA in the ribosomal exit site actively promotes translocation, EMBO J., 8, 3933-3938, https://doi.org/10.1002/j.1460-2075.1989.tb08574.x.

34. Bocchetta, M., Xiong, L., Shah, S., and Mankin, A. S. (2001) Interactions between 23S rRNA and tRNA in the ribosomal E site, RNA, 7, 54-63, https://doi.org/10.1017/s1355838201001650.

35. Schmeing, T. M., Moore, P. B., and Steitz, T. A. (2003) Structures of deacylated tRNA mimics bound to the E site of the large ribosomal subunit, RNA, 9, 1345-1352, https://doi.org/10.1261/rna.5120503.

36. Koch, M., Clementi, N., Rusca, N., Vögele, P., Erlacher, M., and Polacek, N. (2015) The integrity of the G2421-C2395 base pair in the ribosomal E-site is crucial for protein synthesis, RNA Biol., 12, 70-81, https://doi.org/10.1080/15476286.2015.1017218.

37. Sergiev, P. V., Lesnyak, D. V., Kiparisov, S. V., Burakovsky, D. E., Leonov, A. A., Bogdanov, A. A., Brimacombe, R., and Dontsova, O. A. (2005) Function of the ribosomal E-site: a mutagenesis study, Nucleic Acids Res., 33, 6048-6056, https://doi.org/10.1093/nar/gki910.

38. Watson, Z. L., Ward, F. R., Méheust, R., Ad, O., Schepartz, A., Banfield, J. F., and Cate, J. H. (2020) Structure of the bacterial ribosome at 2 Å resolution, Elife, 9, e60482, https://doi.org/10.7554/eLife.60482.

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

40. Dmitriev, S. E., Vladimirov, D. O., and Lashkevich, K. A. (2020) A quick guide to small-molecule inhibitors of eukaryotic protein synthesis, Biochemistry (Moscow), 85, 1389-1421, https://doi.org/10.1134/S0006297920110097.

41. Safdari, H. A., Morici, M., Sanchez-Castro, A., Dallapè, A., Paternoga, H., Giuliodori, A. M., Fabbretti, A., Milón, P., and Wilson, D. N. (2025) The translation inhibitors kasugamycin, edeine and GE81112 target distinct steps during 30S initiation complex formation, Nat. Commun., 16, 2470, https://doi.org/10.1038/s41467-025-57731-8.

42. Polikanov, Y. S., Osterman, I. A., Szal, T., Tashlitsky, V. N., Serebryakova, M. V., Kusochek, P., Bulkley, D., Malanicheva, I. A., Efimenko, T. A., Efremenkova, O. V., Konevega, A. L., Shaw, K. J., Bogdanov, A. A., Rodnina, M. V., Dontsova, O. A., Mankin, A. S., Steitz, T. A., and Sergiev, P. V. (2014) Amicoumacin A inhibits translation by stabilizing mRNA interaction with the ribosome, Mol. Cell, 56, 531-540, https://doi.org/10.1016/j.molcel.2014.09.020.

43. Maksimova, E. M., Vinogradova, D. S., Osterman, I. A., Kasatsky, P. S., Nikonov, O. S., Milón, P., Dontsova, O. A., Sergiev, P. V., Paleskava, A., and Konevega, A. L. (2021) Multifaceted mechanism of amicoumacin A inhibition of bacterial translation front, Microbiol., 12, 8857, https://doi.org/10.3389/fmicb.2021.618857.

44. Prokhorova, I. V., Akulich, K. A., Makeeva, D. S., Osterman, I. A., Skvortsov, D. A., Sergiev, P. V., Dontsova, O. A., Yusupova, G., Yusupov, M. M., and Dmitriev, S. E. (2016) Amicoumacin A induces cancer cell death by targeting the eukaryotic ribosome, Sci Rep., 6, 27720, https://doi.org/10.1038/srep27720.

45. Schneider-Poetsch, T., Ju, J., Eyler, D. E., Dang, Y., Bhat, S., Merrick, W. C., Green, R., Shen, B., and Liu, J. O. (2010) Inhibition of eukaryotic translation elongation by cycloheximide and lactimidomycin, Nat Chem Biol., 6, 209-217, https://doi.org/10.1038/nchembio.304.

46. Zgadzay, Y., Kolosova, O., Stetsenko, A., Wu, C., Bruchlen, D., Usachev, K., Validov, S., Jenner, L., Rogachev, A., Yusupova, G., Sachs, M. S., Guskov, A., and Yusupov, M. (2022) E-site drug specificity of the human pathogen ribosome, Sci. Adv., 8, eabn1062, https://doi.org/10.1126/sciadv.abn1062.

47. Shen, L. D., Su, Z. M., Yang, K. L., Wu, C., Becker, T., Bell-Pedersen, D., Zhang, J. J., and Sachs, M. S. (2021) Structure of the translating Neurospora ribosome arrested by cycloheximide, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 118, e2111862118, https://doi.org/10.1073/pnas.2111862118.

48. Goldstein, M., Wang, Y., Byju, S., Mohanty, U., and Whitford, P. S. (2025) Characterization of a potential antibiotic target site on the ribosome, bioRxiv, https://doi.org/10.1101/2025.05.02.651724.

49. Wright, G., Kaur, M., Travin, D., Berger, M., Jangra, M., Morici, M., Safdari, H. A., Klepacki, D., Wang, W., Cook, M., Chou, S., Guitor, A., Koteva, K., Xu, M., Ejim, L., Macneil, L., Vázquez-Laslop, N., Mankin, A., and Wilson, D. (2025) A natural depsipeptide antibiotic that targets the E site of the bacteria ribosome, Res. Sq., https://doi.org/10.21203/rs.3.rs-6925047/v1.

50. Golubev, A. A., Validov, Sh. 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, https://doi.org/10.1134/S0026893319040034.

51. Blaha, G. R., Stanley, R. E., and Steitz, T. A. (2009) Formation of the first peptide bond: the structure of EF-P bound to the 70S ribosome, Science, 325, 966-970, https://doi.org/10.1126/science.1175800.

52. Wiechert, F., Unbehaun, A., Sprink, Th., Seibel, H., Bürger, J., Loerke, J., Mielke, Th., Diebolder, C., Schacherl, M., and Spahn, C. (2025) Visualizing the modification landscape of the human 60S ribosomal subunit at close to atomic resolution, Nucleic Acids Res., 53, gkae1191, https://doi.org/10.1093/nar/gkae1191.

53. Li, L., Rybak, M. Y., Lin, J., and Gagnon, M. G. (2024) The ribosome termination complex remodels release factor RF3 and ejects GDP, Nat. Struct. Mol. Biol., 31, 1909-1920, https://doi.org/10.1038/s41594-024-01360-0.

54. Loveland, A. B., Koh, C. S., Ganesan, R., Jacobson, A., and Korostelev, A. A. (2024) Structural mechanism of angiogenin activation by the ribosome, Nature, 630, 769-776, https://doi.org/10.1038/s41586-024-07508-8.

55. Simsek, D., Tiu, D. C., Flynn, R. A., Byeon, G. W., Leppek, K., Xu, A. F., Chang, H.Y., and Barna, M. (2017) The mammalian ribo-interactome reveals ribosome functional diversity and heterogeneity, Cell, 169, 1051-1065.e18, https://doi.org/10.1016/j.cell.2017.05.022.

56. Irvin, J. D., and Hardesty, B. (1972) Binding of aminoacyl transfer ribonucleic acid synthetases to ribosomes from rabbit reticulocytes, Biochemistry, 11, 1915-1920, https://doi.org/10.1021/bi00760a028.

57. Raina, M., Elgamal, S., Santangelo, T. J., and Ibba, M. (2012) Association of a multi-synthetase complex with translating ribosomes in the archaeon Thermococcus kodakarensis, FEBS Lett., 586, 2232-2238, https://doi.org/10.1016/j.febslet.2012.05.039.

58. Godinic-Mikulcic, V., Jaric, J., Greber, B. J., Franke, V., Hodnik, V., Anderluh, G., Ban, N., and Weygand-Durasevic, I. (2014) Archaeal aminoacyl-tRNA synthetases interact with the ribosome to recycle tRNAs, Nucleic Acids Res., 42, 5191-5201, https://doi.org/10.1093/nar/gku164.

59. Mleczko, A. M., Celichowski, P., and Bakowska-Zywicka, K. (2018) Transfer RNA-derived fragments target and regulate ribosome-associated aminoacyl-transfer RNA synthetases, Biochim. Biophys. Acta, 1862, 647-656, https://doi.org/10.1016/j.bbagrm.2018.06.001.

60. Gómez Ramos, L. M., Smeekens, J. M., Kovacs, N. A., Bowman, J. C., Wartell, M., Wu, R., and Williams, L. D. (2016) Yeast rRNA expansion segments: folding and function, J. Mol. Biol., 428, 4048-4059, https://doi.org/10.1016/j.jmb.2016.08.008.

61. Ibba, M., and Soll, D. (2000) Aminoacyl-tRNA synthesis, Annu. Rev. Biochem., 69, 617-650, https://doi.org/10.1146/annurev.biochem.69.1.617.