Recent studies highlight the importance of translational control in determining protein abundance, underscoring the value of measuring gene expression at the level of translation. We present a protocol for genome-wide, quantitative analysis of in vivo translation by deep sequencing. This ribosome profiling approach maps the exact positions of ribosomes on transcripts by nuclease footprinting. The nuclease-protected mRNA fragments are converted into a DNA library suitable for deep sequencing using a strategy that minimizes bias. The abundance of different footprint fragments in deep sequencing data reports on the amount of translation of a gene. In addition, footprints reveal the exact regions of the transcriptome that are translated. To better define translated reading frames, we describe an adaptation that reveals the sites of translation initiation by pretreating cells with harringtonine to immobilize initiating ribosomes. The protocol we describe requires 5-7 days to generate a completed ribosome profiling sequencing library. Sequencing and data analysis require a further 4-5 days.

The conserved transcriptional regulator heat shock factor 1 (Hsf1) is a key sensor of proteotoxic and other stress in the eukaryotic cytosol. We surveyed Hsf1 activity in a genome-wide loss-of-function library in Saccaromyces cerevisiae as well as ∼78,000 double mutants and found Hsf1 activity to be modulated by highly diverse stresses. These included disruption of a ribosome-bound complex we named the Ribosome Quality Control Complex (RQC) comprising the Ltn1 E3 ubiquitin ligase, two highly conserved but poorly characterized proteins (Tae2 and Rqc1), and Cdc48 and its cofactors. Electron microscopy and biochemical analyses revealed that the RQC forms a stable complex with 60S ribosomal subunits containing stalled polypeptides and triggers their degradation. A negative feedback loop regulates the RQC, and Hsf1 senses an RQC-mediated translation-stress signal distinctly from other stresses. Our work reveals the range of stresses Hsf1 monitors and elucidates a conserved cotranslational protein quality control mechanism.

DMS-MaPseq enables genome-wide and target-specific RNA secondary structure probing of even rare or heterogeneously structured RNAs in vivo and was used to study structure involved in translation regulation as well as nascent transcripts. Coupling of structure-specific in vivo chemical modification to next-generation sequencing is transforming RNA secondary structure studies in living cells. The dominant strategy for detecting in vivo chemical modifications uses reverse transcriptase truncation products, which introduce biases and necessitate population-average assessments of RNA structure. Here we present dimethyl sulfate (DMS) mutational profiling with sequencing (DMS-MaPseq), which encodes DMS modifications as mismatches using a thermostable group II intron reverse transcriptase. DMS-MaPseq yields a high signal-to-noise ratio, can report multiple structural features per molecule, and allows both genome-wide studies and focused in vivo investigations of even low-abundance RNAs. We apply DMS-MaPseq for the first analysis of RNA structure within an animal tissue and to identify a functional structure involved in noncanonical translation initiation. Additionally, we use DMS-MaPseq to compare the in vivo structure of pre-mRNAs with their mature isoforms. These applications illustrate DMS-MaPseq's capacity to dramatically expand in vivo analysis of RNA structure.

Abstract The COVID-19 pandemic is exacting an increasing toll worldwide, with new SARS-CoV-2 variants emerging that exhibit higher infectivity rates and that may partially evade vaccine and antibody immunity 1 . Rapid deployment of non-invasive therapeutic avenues capable of preventing infection by all SARS-CoV-2 variants could complement current vaccination efforts and help turn the tide on the COVID-19 pandemic 2 . Here, we describe a novel therapeutic strategy targeting the SARS-CoV-2 RNA using locked nucleic acid antisense oligonucleotides (LNA ASOs). We identified an LNA ASO binding to the 5’ leader sequence of SARS-CoV-2 ORF1a/b that disrupts a highly conserved stem-loop structure with nanomolar efficacy in preventing viral replication in human cells. Daily intranasal administration of this LNA ASO in the K18-hACE2 humanized COVID-19 mouse model potently (98-99%) suppressed viral replication in the lungs of infected mice, revealing strong prophylactic and treatment effects. We found that the LNA ASO also represses viral infection in golden Syrian hamsters, and is highly efficacious in countering all SARS-CoV-2 “variants of concern” tested in vitro and in vivo , including B.1.427, B.1.1.7, and B.1.351 variants 3 . Hence, inhaled LNA ASOs targeting SARS-CoV-2 represents a promising therapeutic approach to reduce transmission of variants partially resistant to vaccines and monoclonal antibodies, and could be deployed intranasally for prophylaxis or via lung delivery by nebulizer to decrease severity of COVID-19 in infected individuals. LNA ASOs are chemically stable and can be flexibly modified to target different viral RNA sequences 4 , and they may have particular impact in areas where vaccine distribution is a challenge, and could be stockpiled for future coronavirus pandemics.

Abstract Combinatorially, intron excision within a given nascent transcript could proceed down any of thousands of paths, each of which would expose different dynamic landscapes of cis-elements and contribute to alternative splicing. In this study, we found that post-transcriptional multi-intron splicing order in human cells is largely predetermined, with most genes spliced in one or a few predominant orders. Strikingly, these orders were conserved across cell types and stages of motor neuron differentiation. Introns flanking alternatively spliced exons were frequently excised last, after their neighboring introns. Perturbations to the spliceosomal U2 snRNA altered the preferred splicing order of many genes, and these alterations were associated with the retention of other introns in the same transcript. In one gene, early removal of specific introns was sufficient to induce delayed excision of three proximal introns, and this delay was caused by two distinct cis-regulatory mechanisms. Together, our results demonstrate that multi-intron splicing order in human cells is predetermined, is influenced by a component of the spliceosome, and ensures splicing fidelity across long pre-mRNAs.

Abstract Outer membrane porins in Gram-negative bacteria facilitate antibiotic influx. In Klebsiella pneumoniae (KP), modifications in the porin OmpK36 are implicated in increasing resistance to carbapenems. Analysis of large KP genome collections, encompassing major healthcare-associated clones, revealed the recurrent emergence of a synonymous cytosine to thymine transition at position 25 (25c>t) in ompK36. We show that the 25c>t transition increases carbapenem resistance through depletion of OmpK36 from the outer membrane. The mutation attenuates KP in a murine pneumonia model, which accounts for its limited clonal expansion observed by phylogenetic analysis. However, in the context of carbapenem treatment, the 25c>t transition tips the balance towards treatment failure, thus accounting for its recurrent emergence. Mechanistically, the 25c>t transition mediates an intramolecular mRNA interaction between a uracil encoded by 25t and the first adenine within the Shine-Dalgarno sequence. This specific interaction leads to the formation of an RNA stem structure, which obscures the ribosomal binding site thus disrupting translation. While mutations reducing OmpK36 expression via transcriptional silencing are known, we uniquely demonstrate the repeated selection of a synonymous ompK36 mutation mediating translational suppression in response to antibiotic pressure.

The human mitochondrial genome encodes crucial oxidative phosphorylation system proteins, pivotal for aerobic energy transduction. They are translated from nine monocistronic and two bicistronic transcripts whose native structures remain unexplored, posing a gap in understanding mitochondrial gene expression. In this work, we devised the mitochondrial dimethyl sulfate mutational profiling with sequencing (mitoDMS-MaPseq) method and applied detection of RNA folding ensembles using expectation-maximization (DREEM) clustering to unravel the native mitochondrial messenger RNA (mt-mRNA) structurome in wild-type (WT) and leucine-rich pentatricopeptide repeat–containing protein (LRPPRC)–deficient cells. Our findings elucidate LRPPRC’s role as a holdase contributing to maintaining mt-mRNA folding and efficient translation. mt-mRNA structural insights in WT mitochondria, coupled with metabolic labeling, unveil potential mRNA-programmed translational pausing and a distinct programmed ribosomal frameshifting mechanism. Our data define a critical layer of mitochondrial gene expression regulation. These mt-mRNA folding maps provide a reference for studying mt-mRNA structures in diverse physiological and pathological contexts.

ABSTRACT Sigma factors are an important class of bacterial transcription factors that lend specificity to RNA polymerases by binding to distinct promoter elements for genes in their regulons. Here we show that activation of the general stress sigma factor, σ B , in Bacillus subtilis paradoxically leads to dramatic induction of translation for a subset of its regulon genes. These genes are translationally repressed when transcribed by the housekeeping sigma factor, σ A , owing to extended RNA secondary structures as determined in vivo using DMS-MaPseq. Transcription from σ B -dependent promoters liberates the secondary structures and activates translation, leading to dual induction. Translation efficiencies between σ B - and σ A -dependent RNA isoforms can vary by up to 100-fold, which in multiple cases exceeds the magnitude of transcriptional induction. These results highlight the role of long-range RNA folding in modulating translation and demonstrate that a transcription factor can regulate protein synthesis beyond its effects on transcript levels.

RNA molecules perform a diversity of essential functions for which their linear sequences must fold into higher-order structures.Techniques including crystallography and cryogenic electron microscopy have revealed 3D structures of ribosomal, transfer, and other well-structured RNAs; while chemical probing with sequencing facilitates secondary structure modeling of any RNAs of interest, even within cells. Ongoing efforts continue increasing the accuracy, resolution, and ability to distinguish coexisting alternative structures. However, no method can discover and quantify alternative structures with base pairs spanning arbitrarily long distances -- an obstacle for studying viral, messenger, and long noncoding RNAs, which may form long-range base pairs. Here, we introduce the method of Structure Ensemble Ablation by Reverse Complement Hybridization with Mutational Profiling (SEARCH-MaP) and software for Structure Ensemble Inference by Sequencing, Mutation Identification, and Clustering of RNA (SEISMIC-RNA). We use SEARCH-MaP and SEISMIC-RNA to discover that the frameshift stimulating element of SARS coronavirus 2 base-pairs with another element 1~kilobase downstream in nearly half of RNA molecules, and that this structure competes with a pseudoknot that stimulates ribosomal frameshifting. Moreover, we identify long-range base pairs involving the frameshift stimulating element in other coronaviruses including SARS coronavirus 1 and transmissible gastroenteritis virus, and model the full genomic secondary structure of the latter. These findings suggest that long-range base pairs are common in coronaviruses and may regulate ribosomal frameshifting, which is essential for viral RNA synthesis. We anticipate that SEARCH-MaP will enable solving many RNA structure ensembles that have eluded characterization, thereby enhancing our general understanding of RNA structures and their functions. SEISMIC-RNA, software for analyzing mutational profiling data at any scale, could power future studies on RNA structure and is available on GitHub and the Python Package Index.

Telomerase is a specialized reverse transcriptase that uses an intrinsic RNA subunit as the template for telomeric DNA synthesis. Biogenesis of human telomerase requires its RNA subunit (hTR) to fold into a multi-domain architecture that includes the template-containing pseudoknot (t/PK) and the three-way junction (CR4/5). These two hTR domains bind the telomerase reverse transcriptase (hTERT) protein and are thus essential for telomerase catalytic activity. Here, we probe the structure of hTR in living cells using dimethyl sulfate mutational profiling with sequencing (DMS-MaPseq) and ensemble deconvolution analysis. Unexpectedly, approximately 15% of the steady state population of hTR has a CR4/5 conformation lacking features required for hTERT binding. Mutagenesis demonstrates that stabilization of the alternative CR4/5 conformation is detrimental to telomerase assembly and activity. We propose that this misfolded portion of the cellular hTR pool is either slowly refolded or degraded. Thus, kinetic traps for RNA folding that have been so well-studied in vitro may also present barriers for assembly of ribonucleoprotein complexes in vivo.