CITATION: Bitter, W., et al. 2009. Systematic genetic nomenclature for type VII secretion systems. PLoS Pathogens, 5(10): 1-6, doi: 10.1371/journal.ppat.1000507.

RNA-seq technologies have provided significant insight into the transcription networks of mycobacteria. However, such studies provide no definitive information on the translational landscape. Here, we use a combination of high-throughput transcriptome and proteome-profiling approaches to more rigorously understand protein expression in two mycobacterial species. RNA-seq and ribosome profiling in Mycobacterium smegmatis, and transcription start site (TSS) mapping and N-terminal peptide mass spectrometry in Mycobacterium tuberculosis, provide complementary, empirical datasets to examine the congruence of transcription and translation in the Mycobacterium genus. We find that nearly one-quarter of mycobacterial transcripts are leaderless, lacking a 5’ untranslated region (UTR) and Shine-Dalgarno ribosome-binding site. Our data indicate that leaderless translation is a major feature of mycobacterial genomes and is comparably robust to leadered initiation. Using translational reporters to systematically probe the cis-sequence requirements of leaderless translation initiation in mycobacteria, we find that an ATG or GTG at the mRNA 5’ end is both necessary and sufficient. This criterion, together with our ribosome occupancy data, suggests that mycobacteria encode hundreds of small, unannotated proteins at the 5’ ends of transcripts. The conservation of small proteins in both mycobacterial species tested suggests that some play important roles in mycobacterial physiology. Our translational-reporter system further indicates that mycobacterial leadered translation initiation requires a Shine Dalgarno site in the 5’ UTR and that ATG, GTG, TTG, and ATT codons can robustly initiate translation. Our combined approaches provide the first comprehensive view of mycobacterial gene structures and their non-canonical mechanisms of protein expression.

ABSTRACT Most bacterial ORFs are identified by automated prediction algorithms. However, these algorithms often fail to identify ORFs lacking canonical features such as a length of >50 codons or the presence of an upstream Shine-Dalgarno sequence. Here, we use ribosome profiling approaches to identify actively translated ORFs in Mycobacterium tuberculosis . Most of the ORFs we identify have not been previously described, indicating that the M. tuberculosis transcriptome is pervasively translated. The newly described ORFs are predominantly short, with many encoding proteins of ≤50 amino acids. Codon usage of the newly discovered ORFs suggests that most have not been subject to purifying selection, and hence do not contribute to cell fitness. Nevertheless, we identify 90 new ORFs (median length of 52 codons) that bear the hallmarks of purifying selection. Thus, our data suggest that pervasive translation of short ORFs in Mycobacterium tuberculosis serves as a rich source for the evolution of new functional proteins.

Abstract Mycobacteria spatially organize their plasma membrane, and many enzymes involved in envelope biosynthesis associate with a membrane compartment termed the intracellular membrane domain (IMD). The IMD is concentrated in the polar regions of growing cells and becomes less polarized under non-growing conditions. Because mycobacteria elongate from the poles, the observed polar localization of the IMD during growth likely supports the localized envelope biosynthesis. While we have identified more than 300 IMD-associated proteins by proteomic analyses, only a handful of these have been verified by other experimental methods. Furthermore, we speculate that some IMD-associated proteins may have escaped proteomic identification and remain to be identified. Here, we visually screened an arrayed library of 523 Mycobacterium smegmatis strains each expressing a Dendra2-FLAG-tagged recombinant protein. We identified 29 fusion proteins that showed fluorescence patterns similar to those of IMD proteins and, consistent with this co-localization, we had previously identified 20 of these using a proteomics approach. Of the nine remaining IMD candidate proteins, three were confirmed to be associated with the IMD while some others appear to be lipid droplet-associated. Taken together, our newly devised strategy is effective in verifying the IMD association of proteins found by proteomic analyses, while facilitating the discovery of additional IMD-associated proteins. Importance The intracellular membrane domain (IMD) is a membrane subcompartment found in Mycobacterium smegmatis cells. Proteomic analysis of purified IMD identified more than 300 proteins, including enzymes involved in cell envelope biosynthesis, that likely contribute to the function of the IMD. How can we find more IMD-associated proteins that escaped proteomic detection? Here, as an alternative approach, fluorescence microscope images of 523 proteins were screened to identify IMD-associated proteins. We confirmed the IMD association of previously identified proteins and discovered three additional proteins associated with the IMD. Together, subcellular fractionation, proteomics, and fluorescence microscopy form a robust combination to more rigorously define IMD proteins, which will aid future investigations to decipher the synthesis, maintenance and functions of this membrane domain.

Genome-wide transcriptomic analyses have revealed abundant expressed short open reading frames (ORFs) in bacteria. Whether these short ORFs, or the small proteins they encode, are functional remains an open question. One quarter of mycobacterial mRNAs are leaderless, beginning with a 5’-AUG or GUG initiation codon. Leaderless mRNAs often encode unannotated short ORFs as the first gene of a polycistronic transcript. Here we show that polycysteine-encoding leaderless short ORFs function as cysteine-responsive attenuators of operonic gene expression. Detailed mutational analysis shows that one polycysteine short ORF controls expression of the downstream genes. Our data indicate that ribosomes stalled in the polycysteine tract block mRNA structures that otherwise sequester the ribosome-binding site of the 3’gene. We assessed endogenous proteomic responses to cysteine limitation in Mycobacterium smegmatis using mass spectrometry. Six cysteine metabolic loci having unannotated polycysteine-encoding leaderless short ORF architectures responded to cysteine limitation, revealing widespread cysteine-responsive attenuation in mycobacteria. Individual leaderless short ORFs confer independent operon-level control, while their shared dependence on cysteine ensures a collective response mediated by ribosome pausing. We propose the term ribulon to classify ribosome-directed regulons. Regulon-level coordination by ribosomes on sensory short ORFs illustrates one utility of the many unannotated short ORFs expressed in bacterial genomes.

Treatment of tuberculosis continues to be challenging due to the widespread latent form of the disease and the emergence of antibiotic-resistant strains of the pathogen, Mycobacterium tuberculosis. Bacterial ribosomes are a common and effective target for antibiotics. Several second line anti-tuberculosis drugs, e.g. kanamycin, amikacin, and capreomycin, target ribosomal RNA to inhibit protein synthesis. However, M. tuberculosis can acquire resistance to these drugs, emphasizing the need to identify new drug targets. Previous cryo-EM structures of the M. tuberculosis and M. smegmatis ribosomes identified two novel ribosomal proteins, bS22 and bL37, in the vicinity of two crucial drug-binding sites: the mRNA-decoding center on the small (30S), and the peptidyl-transferase center on the large (50S) ribosomal subunits, respectively. The functional significance of these two small proteins is unknown. In this study, we observe that an M. smegmatis strain lacking the bs22 gene shows enhanced susceptibility to kanamycin compared to the wild-type strain. Cryo-EM structures of the ribosomes lacking bS22 in the presence and absence of kanamycin suggest a direct role of bS22 in modulating the 16S rRNA kanamycin-binding site. Our structures suggest that amino-acid residue Lys-16 of bS22 interacts directly with the phosphate backbone of helix 44 of 16S rRNA to influence the micro-configuration of the kanamycin-binding pocket. Our analysis shows that similar interactions occur between eukaryotic homologues of bS22, and their corresponding rRNAs, pointing to a common mechanism of aminoglycoside resistance in higher organisms.