SUMMARY The catalytic subunit of SARS-CoV-2 RNA-dependent RNA polymerase (RdRp), Nsp12, has a unique NiRAN domain that transfers nucleoside monophosphates to the Nsp9 protein. The NiRAN and RdRp modules form a dynamic interface distant from their catalytic sites and both activities are essential for viral replication. We report that codon-optimized (for the pause-free translation) Nsp12 exists in inactive state in which NiRAN/RdRp interactions are broken, whereas translation by slow ribosomes and incubation with accessory Nsp7/8 subunits or NTPs partially rescue RdRp activity. Our data show that adenosine and remdesivir triphosphates promote synthesis of A-less RNAs, as does ppGpp, while amino acid substitutions at the NiRAN/RdRp interface augment activation, suggesting that ligand binding to the NiRAN catalytic site modulates RdRp activity. The existence of allosterically-linked nucleotidyl transferase sites that utilize the same substrates has important implications for understanding the mechanism of SARS-CoV-2 replication and design of its inhibitors. Highlights Codon-optimization of Nsp12 triggers misfolding and activity loss Slow translation, accessory Nsp7 and Nsp8 subunits, and NTPs rescue Nsp12 Non-substrate nucleotides activate RNA chain synthesis, likely via NiRAN domain Crosstalk between two Nsp12 active sites that bind the same ligands

Abstract Transcription termination factor ρ is a hexameric, RNA-dependent NTPase that can adopt active closed-ring and inactive open-ring conformations. The Sm-like protein Rof, a homolog of the RNA chaperone Hfq, inhibits ρ-dependent termination in vivo but recapitulation of this activity in vitro has proven difficult and the precise mode of Rof action is presently unknown. Our electron microscopic structures of ρ-Rof and ρ-RNA complexes show that Rof undergoes pronounced conformational changes to bind ρ at the protomer interfaces, undercutting ρ conformational dynamics associated with ring closure and occluding extended primary RNA-binding sites that are also part of interfaces between ρ and RNA polymerase. Consistently, Rof impedes ρ ring closure, ρ-RNA interactions, and ρ association with transcription elongation complexes. Structure-guided mutagenesis coupled with functional assays confirmed that the observed ρ-Rof interface is required for Rof-mediated inhibition of cell growth and ρ-termination in vitro . Bioinformatic analyses revealed that Rof is restricted to Pseudomonadota and that the ρ-Rof interface is conserved. Genomic contexts of rof differ between Enterobacteriaceae and Vibrionaceae, suggesting distinct modes of Rof regulation. We hypothesize that Rof and other cellular anti-terminators silence ρ under diverse, but yet to be identified, stress conditions when unrestrained transcription termination by ρ would be lethal.

Abstract RNA polymerases (RNAPs) must transit through protein roadblocks to produce full-length RNAs. Here we report real-time measurements of Escherichia coli ( E. coli ) RNAP passage through different barriers. As intuitively expected, assisting forces facilitated, and opposing forces hindered, RNAP passage through LacI bound to natural operator sites. Force-dependent differences were significant at magnitudes as low as 0.2 pN and were abolished in the presence of GreA, which rescues backtracked RNAP. In stark contrast, opposing forces promoted passage when the rate of backtracking was comparable to, or faster than the rate of dissociation of the roadblock, particularly in the presence of GreA. Our experiments and simulations indicate that RNAP may transit after roadblocks dissociate, or undergo cycles of backtracking, recovery, and ramming into roadblocks to pass through. We propose that such reciprocating motion also enables RNAP to break protein-DNA contacts holding RNAP back during promoter escape and RNA chain elongation, facilitating productive transcription in vivo .

After RNA polymerase (RNAP) reaches a terminator, instead of dissociating from the template, it may diffuse along the DNA before restarting RNA synthesis from the previous or a different promoter. We monitored such secondary transcription using magnetic tweezers to determine the effect of low forces, protein roadblocks, and transcription factors. Up to 60% of RNAPs diffused along the DNA after termination. Force biased the direction of diffusion (sliding) and the velocity increased rapidly with force up to 0.7 pN and much more slowly thereafter. Sigma factor 70 (σ70) likely remained bound to these sliding RNAPs, enabling recognition of secondary promoters and additional rounds of transcription, and the addition of elongation factor NusG, which competes with σ70 for binding to RNAP, limited additional rounds of transcription. Surprisingly, RNAP blocked by a DNA-bound lac repressor could slowly re-initiate transcription at the blockage and was not affected by NusG, suggesting a σ-independent pathway. Force biased the frequency of encounters between convergent or divergent promoters such that transcription was repetitive only from the promoter opposing the direction of force. Sliding RNAP recognized and could subsequently re-initiate from promoters in either orientation. However, deletions of the α-C-terminal domains severely limited the ability of RNAP to turn around.

SUMMARY RfaH, a paralog of the universally conserved NusG, binds to RNA polymerases (RNAP) and ribosomes to activate expression of virulence genes. In free, autoinhibited RfaH, an α-helical KOW domain sequesters the RNAP-binding site. Upon recruitment to RNAP paused at an ops site, KOW is released and refolds into a β-barrel, which binds the ribosome. Our structures of ops -paused transcription elongation complexes alone and bound to the autoinhibited and activated RfaH reveal swiveled, pre-translocated pause states stabilized by an ops hairpin in the non-template DNA. Autoinhibited RfaH binds and twists the ops hairpin, expanding the RNA:DNA hybrid to 11 base pairs and triggering the KOW release. Once activated, RfaH hyper-stabilizes the pause, which thus requires anti-backtracking factors for escape. Our results suggest that the entire RfaH cycle is solely determined by the ops and RfaH sequences and provide insights into mechanisms of recruitment and metamorphosis of NusG homologs across all life. HIGHLIGHTS - The nontemplate DNA strand of an ops -paused transcription complex forms a hairpin - Autoinhibited RfaH binds and twists the ops hairpin to expand the RNA:DNA hybrid - RfaH-hairpin contacts are solely responsible for triggering RfaH activation - Upon recruitment, RfaH hyper-stabilizes the pause and promotes RNAP backtracking

Abstract Many bacteriophages modulate the host transcription machinery for efficient expression of their own genomes. Phage P4 polarity suppression protein, Psu, is a building block of the viral capsid and inhibits the hexameric transcription termination factor, ρ, by presently unknown mechanisms. We elucidated cryogenic electron microscopy structures of ρ-Psu complexes, showing that Psu dimers laterally clamp two inactive, open ρ rings and promote their expansion to higher-oligomeric states. Systematic ATPase, nucleotide binding and nucleic acid binding studies revealed that Psu hinders ρ ring closure and traps nucleotides in their binding pockets on ρ. Structure-guided mutagenesis in combination with growth, pull-down and termination assays further delineated the functional ρ-Psu interfaces. Bioinformatic analyses suggested that, in addition to guarding its own genome against ρ, Psu enables expression of diverse phage-defense systems commonly found in P4-like mobile genetic elements across bacteria. Thus, Psu is a widespread gene regulator that inhibits ρ via forced hyper-oligomerization.

Bacterial RNA helicase ρ is a genome sentinel that terminates synthesis of damaged and junk RNAs that are not translated by the ribosome. Co-transcriptional RNA surveillance by ρ is essential for quality control of the transcriptome during optimal growth. However, it is unclear how bacteria protect their RNAs from overzealous ρ during dormancy or stress, conditions common in natural habitats. Here we used cryogenic electron microscopy, biochemical, and genetic approaches to show that residue substitutions, ADP, or ppGpp promote hyper-oligomerization of Escherichia coli ρ. Our results demonstrate that nucleotides bound at subunit interfaces control ρ switching from active hexamers to inactive higher-order oligomers and extended filaments. Polymers formed upon exposure to antibiotics or ppGpp disassemble when stress is relieved, thereby directly linking termination activity to cellular physiology. Inactivation of ρ through hyper-oligomerization is a regulatory strategy shared by RNA polymerases, ribosomes, and metabolic enzymes across all life.