The methyltransferase Trm10 modifies a subset of tRNAs on the base N1 position of the 9th nucleotide in the tRNA core. Trm10 is conserved throughout Eukarya and Archaea, and mutations in the human gene (TRMT10A) have been linked to neurological disorders such as microcephaly and intellectual disability, as well as defects in glucose metabolism. Of the 26 tRNAs in yeast with guanosine at position 9, only 14 are substrates for Trm10. However, no common sequence or other posttranscriptional modifications have been identified among these substrates, suggesting the presence of some other tRNA feature(s) which allow Trm10 to distinguish substrate from nonsubstrate tRNAs. Here, we show that substrate recognition by Saccharomyces cerevisiae Trm10 is dependent on both intrinsic tRNA flexibility and the ability of the enzyme to induce specific tRNA conformational changes upon binding. Using the sensitive RNA structure-probing method SHAPE, conformational changes upon binding to Trm10 in tRNA substrates, but not nonsubstrates, were identified and mapped onto a model of Trm10-bound tRNA. These changes may play an important role in substrate recognition by allowing Trm10 to gain access to the target nucleotide. Our results highlight a novel mechanism of substrate recognition by a conserved tRNA modifying enzyme. Further, these studies reveal a strategy for substrate recognition that may be broadly employed by tRNA-modifying enzymes which must distinguish between structurally similar tRNA species.

Using the RNA-dependent RNA polymerase (RdRp) from poliovirus (PV) as our model system, we have shown that Lys-359 in motif-D functions as a general acid in the mechanism of nucleotidyl transfer. A K359H (KH) RdRp derivative is slow and faithful relative to wild-type enzyme. In the context of the virus, RdRp-coding sequence evolves, selecting for the following substitutions: I331F (IF, motif-C) and P356S (PS, motif-D). We have evaluated IF-KH, PS-KH, and IF-PS-KH viruses and enzymes. The speed and fidelity of each double mutant are equivalent. Each exhibits a unique recombination phenotype, with IF-KH being competent for copy-choice recombination and PS-KH being competent for forced-copy-choice recombination. Although the IF-PS-KH RdRp exhibits biochemical properties within twofold of wild type, the virus is impaired substantially for recombination in cells. We conclude that there are biochemical properties of the RdRp in addition to speed and fidelity that determine the mechanism and efficiency of recombination. The interwoven nature of speed, fidelity, the undefined property suggested here, and recombination makes it impossible to attribute a single property of the RdRp to fitness. However, the derivatives described here may permit elucidation of the importance of recombination on the fitness of the viral population in a background of constant polymerase speed and fidelity.

Abstract RNA recombination in positive-strand RNA viruses is a molecular-genetic process, which permits the greatest evolution of the genome and may be essential to stabilizing the genome from the deleterious consequences of accumulated mutations. Enteroviruses represent a useful system to elucidate the details of this process. On the biochemical level, it is known that RNA recombination is catalyzed by the viral RNA-dependent RNA polymerase using a template-switching mechanism. For this mechanism to function in cells, the recombining genomes must be located in the same subcellular compartment. How a viral genome is trafficked to the site of genome replication and recombination, which is membrane associated and isolated from the cytoplasm, is not known. We hypothesized that genome translation was essential for co-localization of genomes for recombination. We show that complete inactivation of internal ribosome entry site (IRES)-mediated translation of a donor enteroviral genome enhanced recombination instead of impairing it. Recombination did not occur by a non-replicative mechanism. Rather, sufficient translation of the non-structural region of the genome occurred to support subsequent steps required for recombination. The non-canonical translation initiation factors, eIF2A and eIF2D, were required for IRES-independent translation. Our results support an eIF2A/eIF2D-dependent mechanism under conditions in which the eIF2-dependent mechanism is inactive. Detection of an IRES-independent mechanism for translation of the enterovirus genome provides an explanation for a variety of debated observations, including non-replicative recombination and persistence of enteroviral RNA lacking an IRES. The existence of an eIF2A/eIF2D-dependent mechanism in enteroviruses predicts the existence of similar mechanisms in other viruses.