CRISPR/Cas systems constitute a widespread class of immunity systems that protect bacteria and archaea against phages and plasmids, and commonly use repeat/spacer-derived short crRNAs to silence foreign nucleic acids in a sequence-specific manner. Although the maturation of crRNAs represents a key event in CRISPR activation, the responsible endoribonucleases (CasE, Cas6, Csy4) are missing in many CRISPR/Cas subtypes. Here, differential RNA sequencing of the human pathogen Streptococcus pyogenes uncovered tracrRNA, a trans-encoded small RNA with 24-nucleotide complementarity to the repeat regions of crRNA precursor transcripts. We show that tracrRNA directs the maturation of crRNAs by the activities of the widely conserved endogenous RNase III and the CRISPR-associated Csn1 protein; all these components are essential to protect S. pyogenes against prophage-derived DNA. Our study reveals a novel pathway of small guide RNA maturation and the first example of a host factor (RNase III) required for bacterial RNA-mediated immunity against invaders. CRISPR is a microbial RNA-based immune system protecting against viral and plasmid invasions. The CRISPR system is thought to rely on cleavage of a precursor RNA transcript by Cas endonucleases, but not all species with CRISPR-type immunity encode Cas proteins. A new study reveals an alternative pathway for CRISPR activation in the human pathogen Streptococcus pyogenes, in which a trans-encoded small RNA directs processing of precursor RNA into crRNAs through endogenous RNase III and the CRISPR-associated Csn1 protein. CRISPR is a microbial RNA-based immune system protecting against viral and plasmid invasions. The CRISPR system is thought to rely on cleavage of a precursor RNA transcript by Cas endonucleases, but not all species possessing CRISPR-type immunity encode Cas proteins. This study now describes an alternative pathway in Streptococcus pyogenes that employs trans-encoded small RNA that directs the processing of precursor RNA into crRNAs through endogenous RNase III and the CRISPR-associated Csn1 protein.

Recent advances in high-throughput pyrosequencing (HTPS) technology now allow a thorough analysis of RNA bound to cellular proteins, and, therefore, of post-transcriptional regulons. We used HTPS to discover the Salmonella RNAs that are targeted by the common bacterial Sm-like protein, Hfq. Initial transcriptomic analysis revealed that Hfq controls the expression of almost a fifth of all Salmonella genes, including several horizontally acquired pathogenicity islands (SPI-1, -2, -4, -5), two sigma factor regulons, and the flagellar gene cascade. Subsequent HTPS analysis of 350,000 cDNAs, derived from RNA co-immunoprecipitation (coIP) with epitope-tagged Hfq or control coIP, identified 727 mRNAs that are Hfq-bound in vivo. The cDNA analysis discovered new, small noncoding RNAs (sRNAs) and more than doubled the number of sRNAs known to be expressed in Salmonella to 64; about half of these are associated with Hfq. Our analysis explained aspects of the pleiotropic effects of Hfq loss-of-function. Specifically, we found that the mRNAs of hilD (master regulator of the SPI-1 invasion genes) and flhDC (flagellar master regulator) were bound by Hfq. We predicted that defective SPI-1 secretion and flagellar phenotypes of the hfq mutant would be rescued by overexpression of HilD and FlhDC, and we proved this to be correct. The combination of epitope-tagging and HTPS of immunoprecipitated RNA detected the expression of many intergenic chromosomal regions of Salmonella. Our approach overcomes the limited availability of high-density microarrays that have impeded expression-based sRNA discovery in microorganisms. We present a generic strategy that is ideal for the systems-level analysis of the post-transcriptional regulons of RNA-binding proteins and for sRNA discovery in a wide range of bacteria.

With few exceptions, current methods for short read mapping make use of simple seed heuristics to speed up the search. Most of the underlying matching models neglect the necessity to allow not only mismatches, but also insertions and deletions. Current evaluations indicate, however, that very different error models apply to the novel high-throughput sequencing methods. While the most frequent error-type in Illumina reads are mismatches, reads produced by 454's GS FLX predominantly contain insertions and deletions (indels). Even though 454 sequencers are able to produce longer reads, the method is frequently applied to small RNA (miRNA and siRNA) sequencing. Fast and accurate matching in particular of short reads with diverse errors is therefore a pressing practical problem. We introduce a matching model for short reads that can, besides mismatches, also cope with indels. It addresses different error models. For example, it can handle the problem of leading and trailing contaminations caused by primers and poly-A tails in transcriptomics or the length-dependent increase of error rates. In these contexts, it thus simplifies the tedious and error-prone trimming step. For efficient searches, our method utilizes index structures in the form of enhanced suffix arrays. In a comparison with current methods for short read mapping, the presented approach shows significantly increased performance not only for 454 reads, but also for Illumina reads. Our approach is implemented in the software segemehl available at http://www.bioinf.uni-leipzig.de/Software/segemehl/.

The interactions of numerous regulatory small RNAs (sRNAs) with target mRNAs have been characterized, but how sRNAs can regulate multiple, structurally unrelated mRNAs is less understood. Here we show that Salmonella GcvB sRNA directly acts on seven target mRNAs that commonly encode periplasmic substrate-binding proteins of ABC uptake systems for amino acids and peptides. Alignment of GcvB homologs of distantly related bacteria revealed a conserved G/U-rich element that is strictly required for GcvB target recognition. Analysis of target gene fusion regulation in vivo, and in vitro structure probing and translation assays showed that GcvB represses its target mRNAs by binding to extended C/A-rich regions, which may also serve as translational enhancer elements. In some cases ( oppA , dppA ), GcvB repression can be explained by masking the ribosome-binding site (RBS) to prevent 30S subunit binding. However, GcvB can also effectively repress translation by binding to target mRNAs at upstream sites, outside the RBS. Specifically, GcvB represses gltI mRNA translation at the C/A-rich target site located at positions −57 to −45 relative to the start codon. Taken together, our study suggests highly conserved regions in sRNAs and mRNA regions distant from Shine-Dalgarno sequences as important elements for the identification of sRNA targets.

There has been an increasing interest in cyanobacteria because these photosynthetic organisms convert solar energy into biomass and because of their potential for the production of biofuels. However, the exploitation of cyanobacteria for bioengineering requires knowledge of their transcriptional organization. Using differential RNA sequencing, we have established a genome-wide map of 3,527 transcriptional start sites (TSS) of the model organism Synechocystis sp. PCC6803. One-third of all TSS were located upstream of an annotated gene; another third were on the reverse complementary strand of 866 genes, suggesting massive antisense transcription. Orphan TSS located in intergenic regions led us to predict 314 noncoding RNAs (ncRNAs). Complementary microarray-based RNA profiling verified a high number of noncoding transcripts and identified strong ncRNA regulations. Thus, ∼64% of all TSS give rise to antisense or ncRNAs in a genome that is to 87% protein coding. Our data enhance the information on promoters by a factor of 40, suggest the existence of additional small peptide-encoding mRNAs, and provide corrected 5′ annotations for many genes of this cyanobacterium. The global TSS map will facilitate the use of Synechocystis sp. PCC6803 as a model organism for further research on photosynthesis and energy research.

The small RNAs associated with the protein Hfq constitute one of the largest classes of post-transcriptional regulators known to date. Most previously investigated members of this class are encoded by conserved free-standing genes. Here, deep sequencing of Hfq-bound transcripts from multiple stages of growth of Salmonella typhimurium revealed a plethora of new small RNA species from within mRNA loci, including DapZ, which overlaps with the 3' region of the biosynthetic gene, dapB. Synthesis of the DapZ small RNA is independent of DapB protein synthesis, and is controlled by HilD, the master regulator of Salmonella invasion genes. DapZ carries a short G/U-rich domain similar to that of the globally acting GcvB small RNA, and uses GcvB-like seed pairing to repress translation of the major ABC transporters, DppA and OppA. This exemplifies double functional output from an mRNA locus by the production of both a protein and an Hfq-dependent trans-acting RNA. Our atlas of Hfq targets suggests that the 3' regions of mRNA genes constitute a rich reservoir that provides the Hfq network with new regulatory small RNAs.

ABSTRACT While the model organism Escherichia coli has been the subject of intense study for decades, the full complement of its RNAs is only now being examined. Here we describe a survey of the E. coli transcriptome carried out using a differential RNA sequencing (dRNA-seq) approach, which can distinguish between primary and processed transcripts, and an automated prediction algorithm for transcriptional start sites (TSS). With the criterion of expression under at least one of three growth conditions examined, we predicted 14,868 TSS candidates, including 5,574 internal to annotated genes (iTSS) and 5,495 TSS corresponding to potential antisense RNAs (asRNAs). We examined expression of 14 candidate asRNAs by Northern analysis using RNA from wild-type E. coli and from strains defective for RNases III and E, two RNases reported to be involved in asRNA processing. Interestingly, nine asRNAs detected as distinct bands by Northern analysis were differentially affected by the rnc and rne mutations. We also compared our asRNA candidates with previously published asRNA annotations from RNA-seq data and discuss the challenges associated with these cross-comparisons. Our global transcriptional start site map represents a valuable resource for identification of transcription start sites, promoters, and novel transcripts in E. coli and is easily accessible, together with the cDNA coverage plots, in an online genome browser.

ABSTRACT Background Knowing the molecules encoded by bacterial pathogens and how their expression is regulated is essential to understand how they survive, colonize, and cause disease. RNA-seq technologies that map transcriptomes have revealed a wealth of new transcripts in bacterial pathogens. However, they do not provide direct evidence or coordinates for coding potential. In particular, they miss small proteins (≤ 50-100 amino acids) translated from small open reading frames (sORFs). However, this still poorly annotated component of bacterial genomes shows emerging roles in bacterial physiology and virulence. Results Here, we present an integrated approach based on complementary ribosome profiling (Ribo-seq) techniques to map the “translatome” of Campylobacter jejuni , the most common cause of bacterial gastroenteritis. Besides conventional Ribo-seq, we employed translation initiation site (TIS) profiling to map start codons and reveal internal sORFs. We also developed a Ribo-seq approach for mapping of translation termination sites (TTS), which revealed stop codons not apparent from the reference genome in virulence-associated loci. Our translatome map confirms translation of leaderless ORFs and leader peptides, re-annotates start or stop codons of 35 genes, and reveals isoforms generated by internal start sites. It also adds 42 novel sORFs in diverse contexts to the C. jejuni annotation, such as within small RNAs, in 5′ untranslated regions (UTRs), or internal/out-of-frame/antisense in larger ORFs. Using epitope tagging/western blot and mass spectrometry we validated expression of almost 60 annotated and novel sORFs, including cioY , which we show encodes a conserved, 34 amino acid component of the CioAB terminal oxidase. Conclusions Overall, we provide a blueprint for integrating several Ribo-seq approaches to refine and enrich bacterial annotations.

Abstract Motivation Ribosome profiling (Ribo-seq) is a powerful approach based on ribosome-protected RNA fragments to explore the translatome of a cell, and is especially useful for the detection of small proteins (<=70 amino acids) that are recalcitrant to biochemical and in silico approaches. While pipelines are available to analyze Ribo-seq data, none are designed explicitly for the analysis of Ribo-seq data from prokaryotes, nor are they focused on the discovery of unannotated open reading frames (ORFs) in bacteria. Results We present HRIBO (High-throughput annotation by Ribo-seq), a workflow to enable reproducible and high-throughput analysis of bacterial Ribo-seq data. The workflow performs all required pre-processing and quality control steps. Importantly, HRIBO outputs annotation-independent ORF predictions based on two complementary bacteria-focused tools, and integrates them with additional features. This facilitates the rapid discovery of novel ORFs and their prioritization for functional characterization. Availability HRIBO is a free and open source project available under the GPL-3 license at: https://github.com/RickGelhausen/HRIBO