Abstract Protein synthesis by the ribosome involves large-scale rearrangements of the “small” subunit (SSU; ∼1 MDa), which include inter- and intra-subunit rotational motions. With more than 1000 structures of ribosomes and ribosomal subunits now publicly available, it is becoming increasingly difficult to design precise experiments that are based on a comprehensive analysis of all known rotation states. To overcome this limitation, we present the Ribosome Angle Decomposition (RAD) method, where the orientation of each small subunit head and body is described in terms of three angular coordinates (rotation, tilt and tilt direction) and a single translation. To demonstrate the utility of the accompanying software (RADtool) we applied it to all published ribosome and mitoribosome structures. This identified and analyzed 1077 fully-assembled ribosome complexes, as well as 280 isolated small subunits from 48 organisms. The RAD approach quantitatively distinguishes between previously described qualitative rotational features, determines when rotation-only descriptions are insufficient, and shows that tilt-like rearrangements of the SSU head and body are pervasive in both prokaryotic and eukaryotic ribosomes. Together, the presented database and technique provide a robust platform for systematically analyzing, visualizing, and comparing subunit orientations of ribosomes from all kingdoms of life. Accordingly, the RAD resource establishes a common foundation with which structural, simulation, single-molecule and biochemical efforts can precisely interrogate the dynamics of this prototypical molecular machine.

The mitoribosome translates mitochondrial mRNAs and regulates energy conversion that is a signature of aerobic life forms. We present a 2.2 Å resolution structure of human mitoribosome together with validated mitoribosomal RNA (rRNA) modifications, including aminoacylated CP-tRNA Val . The structure shows how mitoribosomal proteins stabilise binding of mRNA and tRNA helping to align it in the decoding center, whereas the GDP-bound mS29 stabilizes intersubunit communication. Comparison between different states, with respect to tRNA position, allowed to characterize a non-canonical L1 stalk, and molecular dynamics simulations revealed how it facilitates tRNA transition in a way that does not require interactions with rRNA. We also report functionally important polyamines that are depleted when cells are subjected to an antibiotic treatment. The structural, biochemical, and computational data illuminate the principal functional components of the translation mechanism in mitochondria and provide the most complete description so far of the structure and function of the human mitoribosome.

Abstract Applying simulations with structure-based (Gō-like) models has proven to be an effective strategy for investigating the factors that control biomolecular dynamics. The common element of these models is that some (or all) of the intra/inter-molecular inter-actions are explicitly defined to stabilize an experimentally-determined structure. To facilitate the development and application of this broad class of models, we previously released the SMOG 2 software package. This suite allows one to easily customize and distribute structure-based (i.e. SMOG) models for any type of polymer-ligand system. Since its original release, user feedback has driven the implementation of numerous enhancements. Here, we describe recent extensions to the software and demonstrate the capabilities of the most recent version, SMOG v2.4. Changes include new tools that aid user-defined customization of force fields, as well as an interface with the OpenMM simulation libraries (OpenSMOG v1.0). To illustrate the utility of these advances, we present several applications of SMOG2 and OpenSMOG, which include systems with millions of atoms, long polymers and explicit ions. We also highlight how one can incorporate non-structure-based (e.g. AMBER-based) energetics to define a hybrid class of models. The representative applications include large-scale rearrangements of the SARS-CoV-2 Spike protein, the HIV-1 capsid in the presence of explicit ions, and crystallographic lattices of ribosomes and proteins. In summary, SMOG 2 and OpenSMOG provide robust support for researchers who seek to apply structure-based models to large and/or intricate biomolecular systems.