Ribosomales Protein S1 und antimikrobielle Wirkstoffe

Vermehrt auftretende Resistenzen von humanpathogenen Bakterien gegen medizinisch eingesetzte Antibiotika stellen ein großes Problem im Gesundheitswesen dar. Ein wichtiger Angriffsort für klinisch relevante antimikrobielle Stoffe ist das Ribosom. Durch seine Komplexität enthält es viele Stellen, an die sich Antibiotika anlagern und die Proteinsynthese stören. In den letzten Jahren haben Studien gezeigt, daß die Wirkstoffe meist an die funktionell wichtigen Strukturen der rRNA binden. Da diese Strukturen zwischen Pro- und Eukaryoten stark konserviert sind, können solche Antibiotika toxische Nebenwirkungen hervorrufen. Ein weiteres Problem stellen auch Resistenzmechenismen dar. Viele dieser Antbiotika binden an wenige funktionelle Orte der rRNA. Daher kann eine Mutation Resistenzen gegen mehrere Wirkstoffe hervorrufen. Die Suche nach neuen antimikrobiellen Wirkstoffen ist daher ein zentrales Thema in der Biomedizin. In diesem Projekt soll ein neues Konzept eingesetzt werden, um nach alternativen Wirkstoffen zu suchen. Im Gegensatz zu Antibiotika, die die Ribosomen durch Bindung an funktionelle Stellen inhibieren, sollen Substanzen gefunden werden, die die Assemblierung des ribosomalen Proteins S1 verhindert. Dieses Protein ist essentiell für die Proteinsynthese in Gram-negativen Bakterien. In vorangegangenen Studien konnten wir zeigen, dass das ribosomale Protein S2 notwendig ist, damit S1 an das Ribosom binden kann. Daher ist das erste Ziel dieses Projektes die Charakterisierung der Interaktion zwischen den Proteinen S1 und S2 mittels genetischer und biophysikalischer Methoden. Basierend auf dieser Information werden Peptide synthetisiert, die die S1-S2 Interaktion inhibieren. Das zweite Ziel ist, die dreidimensionale Struktur der Peptide, die die Assemblierung des Proteins S1 an das Ribosom verhindern, als "Pharmakophor" zu benützen, um chemische Moleküle zu finden, die die S1-S2 Interaktion spezifisch inhibieren. Diese chemischen Verbindungen werden schließlich auf ihre antimikrobielle Aktivität gegen Gram-negative Bakterien getestet. Da mitochondriale Ribosomen kein funktionelles Homolog zu S1 besitzen und eukaryotische Ribosomen einen unterschiedlichen Initiationsmechanismus in der Proteinsynthese anwenden, ist es unwahrscheinlich, dass solche Wirkstoffe Nebenwirkungen hervorrufen. Daher wären diese Wirkstoffe spezifisch gegen Escherichia coli aktiv. Das Protein S1 ist in der Gamma-Untergruppe der Gram-positiven Bakterien stark konserviert. Daher wäre ein weiterer Vorteil eines solchen Wirkstoffes seine mögliche Spezifität gegen andere Gram-negative pathogene Bakterien, wie z.B.: Pseudomonas aeruginosa, Salmonella enterica, und Klebsiella pneumoniae, ohne die nützlichen, probiotischen Bakterien anzugreifen, da diese kein S1-Homolog besitzen.

Vermehrt auftretende Resistenzen von humanpathogenen Bakterien gegen medizinisch eingesetzte Antibiotika stellen ein großes Problem im Gesundheitswesen dar. Durch seine funktionelle und strukturelle Komplexität ist das Ribosom ein Hauptangriffspunkt für klinisch relevante Antibiotika. Da diese Strukturen zwischen Pro- und Eukaryoten stark konserviert sind, können solche Antibiotika toxische Nebenwirkungen hervorrufen. Daher ist die Suche nach neuen antimikrobiellen Wirkstoffen, die eine höhere Spezifität aufweisen, ein zentrales Thema in der Biomedizin. Im Rahmen dieses Projektes haben wir versucht, ein neues Konzept für die Suche nach potentiellen antimikrobiellen Wirkstoffen zu verfolgen. Im Gegensatz zu Antibiotika, die die Ribosomen durch Bindung an funktionelle Regionen inhibieren, sollen Substanzen gefunden werden, die die Assemblierung des ribosomalen Proteins S1 verhindern. Da dieses Protein essentiell für die Initiation der Proteinsynthese in Gram-negativen Bakterien ist, und es kein homologes Protein in Eukaryonten gibt, sollten Moleküle, die die Bindung von S1 an das Ribosom stören, keine Nebenwirkungen hervorrufen. Da das Protein aber in der Gamma-Untergruppe der Gram- positiven Bakterien stark konserviert, wäre ein weiterer Vorteil eines solchen Wirkstoffes seine Spezifität gegen alle Gram-negativen pathogenen Bakterien. In diesem Forschungsprojekt konnten wir die Interaktionsdomäne zwischen dem Protein S1 und seinem Bindungspartener am Ribosom, dem Protein S2, näher charakterisieren. Unsere Studien haben gezeigt, dass nur ein sehr kleiner, helikaler Bereich am N-Terminus des Proteins S1 für die Binding an Protein S2 notwendig ist. Da S1 durch seine Flexibiltät in den hochaufgelösten Strukturen des bakteriellen Ribosomes nicht sichtbar ist, tragen unsere Resultate auch wesentlich zum besseren Verständnis der molekularen Mechanismen der Translationsinitiation bei. Weiters weisen unsere Ergebnisse auch auf eine vollkommen neue Funktion von S1 in der Physiologie von Gram-negativen Bakterien hin: Das Protein könnte eine Schlüsselrolle in der Modulation der Ribosomenspezifität hin, wodurch es zu einer selektiven Proteinsynthese unter bestimmten Wachstumsbedingungen kommen könnte.