Inhibition of the bacterial ribosome by nascent and antimicrobial peptides

par Alexandra Seefeldt

Thèse de doctorat en Biochimie

Sous la direction de Axel Innis.

Le président du jury était Ijsbrand M. Kramer.

Le jury était composé de Axel Innis, Ijsbrand M. Kramer, Emmanuelle Schmitt, Hiroaki Suga, Rémi Fronzes, Yaser Hashem.

Les rapporteurs étaient Emmanuelle Schmitt, Hiroaki Suga.

  • Titre traduit

    Inhibition du ribosome bactérien par les peptides naissants et antimicrobiens


  • Résumé

    Le ribosome bactérien (70S) catalyse la formation de la liaison peptidique et représente une cible majeure pour les antibiotiques. Le peptide synthétisé passe à travers le tunnel de sortie de la sous-unité 50S du ribosome avant d’être libéré dans le cytoplasme. Des peptides spécifiques peuvent inhiber la traduction en agissant en cis (peptides naissants) ou en trans (peptides antimicrobiens riches en proline, PrAMPs) sur ce tunnel. Il a été montré que les PrAMPs inhibent la synthèse des protéines en se liant au ribosome 70S. Au cours de ma thèse, j’ai résolu les structures cristallines de quatre PrAMPs en complexe avec le ribosome 70S. J’ai ainsi pu révéler que tous ces peptides recouvrent le centre peptidyl transferase (PTC) et se lient avec le tunnel dans une orientation inverse par rapport au peptide naissant. J’ai aussi pu conclure que les PrAMPs inhibent la traduction en bloquant la transition de la phase d’initiation vers l'élongation. L'arrêt de la traduction induit par le peptide naissant se produit lorsqu'un peptide naissant interagit avec le tunnel, entraînant l'inactivation du PTC. L'arrêt peut être uniquement dû à la séquence du peptide ou peut nécessiter un co-inducteur, tel un antibiotique. Les mécanismes d'action des peptides d'arrêt courts (motifs polyproline ou M+X(+)) restent inconnus. Afin d'étudier ces peptides de manière biochimique et structurale, j’ai formé des complexes ribosomaux bloqués avec un peptidyl-ARNt d'arrêt préparé à l'aide d'un ribozyme appelé flexizyme. J’ai ainsi pu obtenir une structure par cryo-EM d’un 70S bloqué par un motif M+X(+) en présence d'érythromycine et de formuler un modèle expliquant l'inactivation allostérique du PTC.


  • Résumé

    The bacterial (70S) ribosome catalyzes peptide bond formation and represents a major target for antibiotics. The synthesized peptide passes through the exit tunnel of the large ribosomal subunit before it is released into the cytoplasm. Specific peptides can inhibit translation by acting in cis (nascent peptide) or in trans (proline-rich antimicrobial peptides; PrAMPs) due to interactions with the tunnel. PrAMPs were reported to inhibit protein biosynthesis and bind to the 70S ribosome. During my thesis, I solved the crystal structures of four different PrAMPs in complex with the bacterial ribosome, revealing that all peptides cover the peptidyl transferase center (PTC) and bind in a reverse orientation within the exit tunnel relative to a nascent chain. From this, I concluded that PrAMP binding inhibits the transition from initiation towards elongation. Nascent chain-mediated translational arrest occurs when a nascent peptide interacts with the exit tunnel, leading to the rearrangement and inactivation of the PTC. Arrest can be solely due to the peptide’s sequence or may require a small molecule co-inducer, such as a drug. The underlying mechanisms of action for short arrest peptides (polyproline or M+X(+) motifs) remain unknown. In order to study these short arrest peptides biochemically and structurally, I adopted a strategy to form arrested ribosomal complexes through the direct addition of the arrest peptidyl moiety to tRNAiMet with the help of a small ribozyme known as flexizyme. I was able to solve the cryo-EM structure of a ribosome arrested by an M+X(+) motif in the presence of erythromycin and to propose a model for the allosteric inactivation of the PTC.


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