Severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) is the causative agent of the current coronavirus disease 2019 (COVID-19) pandemic. A major virulence factor of SARS-CoVs is the nonstructural protein 1 (Nsp1), which suppresses host gene expression by ribosome association. Here, we show that Nsp1 from SARS-CoV-2 binds to the 40S ribosomal subunit, resulting in shutdown of messenger RNA (mRNA) translation both in vitro and in cells. Structural analysis by cryo-electron microscopy of in vitro-reconstituted Nsp1-40S and various native Nsp1-40S and -80S complexes revealed that the Nsp1 C terminus binds to and obstructs the mRNA entry tunnel. Thereby, Nsp1 effectively blocks retinoic acid-inducible gene I-dependent innate immune responses that would otherwise facilitate clearance of the infection. Thus, the structural characterization of the inhibitory mechanism of Nsp1 may aid structure-based drug design against SARS-CoV-2.

Abstract SARS-CoV-2 is the causative agent of the current COVID-19 pandemic. A major virulence factor of SARS-CoVs is the nonstructural protein 1 (Nsp1) which suppresses host gene expression by ribosome association via an unknown mechanism. Here, we show that Nsp1 from SARS-CoV-2 binds to 40S and 80S ribosomes, resulting in shutdown of capped mRNA translation both in vitro and in cells. Structural analysis by cryo-electron microscopy (cryo-EM) of in vitro reconstituted Nsp1-40S and of native human Nsp1-ribosome complexes revealed that the Nsp1 C-terminus binds to and obstructs the mRNA entry tunnel. Thereby, Nsp1 effectively blocks RIG-I-dependent innate immune responses that would otherwise facilitate clearance of the infection. Thus, the structural characterization of the inhibitory mechanism of Nsp1 may aid structure-based drug design against SARS-CoV-2.

Abstract Cells adjust to nutrient deprivation by reversible translational shut down. This is accompanied by maintaining inactive ribosomes in a hibernation state, where they are bound by proteins with inhibitory and protective functions. In eukaryotes, such a function was attributed to Stm1 (SERBP1 in mammals), and recently Lso2 (CCDC124 in mammals) was found to be involved in translational recovery after starvation from stationary phase. Here, we present cryo-electron microscopy (cryo-EM) structures of translationally inactive yeast and human ribosomes. We found Lso2/CCDC124 accumulating on idle ribosomes in the non-unrotated state, in contrast to Stm1/SERBP1-bound ribosomes, which display a rotated state. Lso2/CCDC124 bridges the decoding sites of the small with the GTPase-activating center of the large subunit. This position allows accommodation of the Dom34-dependent ribosome recycling system, which splits Lso2-containing but not Stm1-containing ribosomes. We propose a model in which Lso2 facilitates rapid translation reactivation by stabilizing the recycling-competent state of inactive ribosomes.

Abstract In eukaryotic translation, the termination and recycling phases are linked to subsequent initiation by persistence of several factors. These comprise the large eIF3 complex, eIF3j (Hcr1 in yeast) and the ATP-binding cassette protein ABCE1 (Rli1 in yeast). The ATPase is mainly active as a recycling factor, but it can remain bound to the dissociated 40S subunit until formation of 43S pre-initiation complexes. However, its functional role and native architectural context remains largely enigmatic. Here, we present an architectural inventory of native yeast and human ABCE1-containing pre-initiation complexes by cryo-EM. We found that ABCE1 was mostly associated with early 43S but also later 48S phases of initiation. It directly interacted with eIF3j via its unique iron-sulfur cluster domain and adopted a novel hybrid conformation, which was ATPase-inhibited and stabilized by an unknown factor bound between the nucleotide binding sites. Moreover, the native human samples provided a near-complete molecular picture of the architecture and sophisticated interaction network of the 43S-bound eIF3 complex and also the eIF2 ternary complex containing the initiator tRNA.

SUMMARY tRNAs serve as a dictionary for the ribosome translating the genetic message from mRNA into a polypeptide chain. Besides this canonical role, tRNAs are involved in other processes like programmed stop codon readthrough (SC-RT). There, tRNAs with near-cognate anticodons to stop codons must outcompete release factors and incorporate into the ribosomal decoding center to prevent termination and allow translation to continue. However, not all near-cognate tRNAs promote efficient SC-RT. Here, we demonstrate that those that do, establish critical contacts between their anticodon stem (AS) and ribosomal proteins Rps30/eS30 and Rps25/eS25 forming the decoding site. Unexpectedly, the length and well-defined nature of the AS determines the strength of these contacts, which is reflected in organisms with reassigned stop codons. These findings open a new direction in tRNA biology that should facilitate the design of artificial tRNAs with specifically altered decoding abilities.

In actively translating 80S ribosomes the ribosomal protein eS7 of the 40S subunit is monoubiquitinated by the E3 ligase Not4 1,2 and deubiquitinated by the deubiquitination enzyme Otu2 upon ribosomal subunit recycling 3 . Despite its importance for general efficiency of translation the exact role and structural basis for this specific translational reset are only poorly understood. Here we present biochemical and structural data showing that Otu2 can engage the recycled 40S subunit together with the recycling factors ABCE1 and Tma64 immediately after 60S dissociation for mRNA recycling, and that it dissociates before 48S initiation complex formation. A combined structural analysis of Otu2 and Otu2-40S complexes by X-ray crystallography, AlphaFold2 prediction 4 and cryo-EM revealed how Otu2 can specifically be recruited to the 40S, but not to the 80S ribosome, for removal of the eS7-bound ubiquitin moiety. Here, interactions of the largely helical N-terminal domain of Otu2 to sites that are masked and therefore inaccessible in the 80S ribosome are of crucial importance. Collectively, we provide the structural basis for the Otu2 driven deubiquitination step providing a first mechanistic understanding of this translational reset step during ribosome recycling/(re)initiation.

Although many antibiotics inhibit bacterial ribosomes, loss of known factors that rescue stalled ribosomes does not lead to robust antibiotic sensitivity in

Control of mRNA decay rate is intimately connected to translation elongation but the spatial coordination of these events is poorly understood. The Ccr4-Not complex initiates mRNA decay through deadenylation and activation of decapping. Using a combination of cryo-electron microscopy, ribosome profiling and mRNA stability assays we show recruitment of Ccr4-Not to the ribosome via specific interaction of the Not5 subunit with the ribosomal E-site. This interaction only occurs when the ribosome lacks accommodated A-site tRNA, indicative of low codon optimality. Loss of Not5 results in the inability of the mRNA degradation machinery to sense codon optimality. Our analysis elucidates a physical link between the Ccr4-Not complex and the ribosome providing mechanistic insight into the coupling of decoding efficiency with mRNA stability.

Inhibitory codon pairs and poly(A) tracts within the translated mRNA cause ribosome stalling and reduce protein output. The molecular mechanisms that drive these stalling events, however, are still unknown. Here, we use a combination of in vitro biochemistry, ribosome profiling, and cryo-EM to define molecular mechanisms that lead to these ribosome stalls. First, we use an in vitro reconstituted yeast translation system to demonstrate that inhibitory codon pairs slow elongation rates which are partially rescued by increased tRNA concentration or by an artificial tRNA not dependent on wobble base pairing. Ribosome profiling data extend these observations by revealing that paused ribosomes with empty A sites are enriched on these sequences. Cryo-EM structures of stalled ribosomes provide a structural explanation for the observed effects by showing decoding-incompatible conformations of mRNA in the A sites of all studied stall-inducing sequences. Interestingly, in the case of poly(A) tracts, the inhibitory conformation of the mRNA in the A site involves a nucleotide stacking array. Together, these data demonstrate novel mRNA-induced mechanisms of translational stalling in eukaryotic ribosomes.