A single particle cryo-EM structure of the 70S ribosome in complex with the elongation factor Tu breaks the 3 Å resolution barrier of the technique and locally exceeds the resolution of previous crystallographic studies, revealing all modifications in rRNA and explaining their roles in ribosome function and antibiotic binding. One of the cell's largest and most important macromolecular complexes, the ribosome has been the target of intensive structural study. Until now, crystallographic studies have provided the highest resolution images of this complex. Now Holger Stark and colleagues have used the latest single-particle electron cryomicroscopy approaches to characterize the Escherichia coli 70S ribosome bound to the Tu elongation factor, a charged tRNA, and the antibiotic kirromycin, at a resolution that locally exceeds that obtained crystallographically. Novel insights are obtained about the modifications occurring on the rRNA and about the more flexible regions of the protein that are inaccessible to crystallographic analysis. Single particle electron cryomicroscopy (cryo-EM) has recently made significant progress in high-resolution structure determination of macromolecular complexes due to improvements in electron microscopic instrumentation and computational image analysis. However, cryo-EM structures can be highly non-uniform in local resolution1,2 and all structures available to date have been limited to resolutions above 3 Å3,4. Here we present the cryo-EM structure of the 70S ribosome from Escherichia coli in complex with elongation factor Tu, aminoacyl-tRNA and the antibiotic kirromycin at 2.65–2.9 Å resolution using spherical aberration (Cs)-corrected cryo-EM. Overall, the cryo-EM reconstruction at 2.9 Å resolution is comparable to the best-resolved X-ray structure of the E. coli 70S ribosome5 (2.8 Å), but provides more detailed information (2.65 Å) at the functionally important ribosomal core. The cryo-EM map elucidates for the first time the structure of all 35 rRNA modifications in the bacterial ribosome, explaining their roles in fine-tuning ribosome structure and function and modulating the action of antibiotics. We also obtained atomic models for flexible parts of the ribosome such as ribosomal proteins L9 and L31. The refined cryo-EM-based model presents the currently most complete high-resolution structure of the E. coli ribosome, which demonstrates the power of cryo-EM in structure determination of large and dynamic macromolecular complexes.

During host colonization, bacteria use the alarmone (p)ppGpp to reshape its proteome by acting pleiotropically on RNA and protein synthesis. Here, we elucidate how the translation Initiation Factor 2 (IF2) senses the cellular ppGpp to GTP ratio and regulates the progression towards protein synthesis. Our results show that the affinity of GTP and the inhibitory concentration of ppGpp for 30S-bound IF2 vary depending on the programmed mRNA. Highly translated mRNAs enhanced GTP affinity for 30S complexes, resulting in fast transitions to elongation of protein synthesis. Less demanded mRNAs allowed ppGpp to compete with GTP for IF2, stalling 30S complexes until exchange of the mRNA enhances the affinity for GTP. Altogether, our data unveil a novel regulatory mechanism at the onset of protein synthesis that tolerates physiological concentrations of ppGpp, and that bacteria can exploit to modulate its proteome as a function of the nutritional shift happening during infection.

Two influenza A nucleoprotein variants (wt: G102R; and mutant: G102R and E292G) were studied with regard to macro-molecular interactions in oligomeric form (24-mers). The E292G mutation has been previously shown to provide cold adaptation. Molecular dynamic simulations of these complexes and trajectory analysis showed that the most significant difference between the obtained models was distance differences between nucleoprotein complex filaments. Influenza virus nucleoprotein complexes were isolated from strains bearing the corresponding NP amino acid substitutions mentioned above. The isolated complexes were characterized by transmission electron microscopy and differential scanning fluorimetry (DSF). Presence of the E292G substitution was shown by DSF to affect nucleoprotein complex melting temperature. In the filament interface peptide model, it was shown that the peptide corresponding in primary structure to the wild-type NP (SGYDFEREGYS, wild type peptide) is prone to temperature-dependent self-association, unlike the peptide carrying the substitution corresponding to E292G (SGYDFGREGYS, mutant peptide). It was also shown that the SGYDFEREGYS peptide (wt) is capable of interacting with a recombinant full-size monomeric nucleoprotein (with primary structure corresponding to wild type); this interaction's equilibrium dissociation constant is five orders of magnitude lower than for the SGYDFGREGYS peptide. Using small-angle neutron scattering (SANS), the supramolecular structures of isolated complexes of these proteins was studied at temperatures of 15, 32, and 37C. SANS data show that the structures of the studied complexes (mutant or normal proteins with RNA) at elevated temperature differ from the rod-like particle model and react differently to temperature changes. The data suggest that the mechanism behind cold adaptation with E292G is associated with a weakening of the interaction between filaments of the ribonucleoprotein complex and, as a result, the appearance of inter-chain interface flexibility necessary for complex function at low temperature.

The most extensively studied β-d-galactosidases (EC3.2.1.23) belonging to four glycoside hydrolase (GH) families 1, 2, 35, and 42 are widely distributed among Bacteria, Archaea and Eukaryotes. Here, we report a novel GH35 family β-galactosidase from the hyperthermophilic Thermoprotei archaeon Desulfurococcus amylolyticus (DaβGal). Unlike fungal monomeric six-domain β-galactosidases, the DaβGal enzyme is a dimer; it has an extra jelly roll domain D7 and three composite domains (D4, D5, and D6) that are formed by the distantly located polypeptide chain regions. The enzyme possesses a high specificity for β-d-galactopyranosides, and its distinguishing feature is the ability to cleave pNP-β-d-fucopyranoside. DaβGal efficiently catalyzes the hydrolysis of lactose at high temperatures, remains stable and active at 65 °С, and retains activity at 95 °С with a half-life time value equal to 73 min. These properties make archaeal DaβGal a more attractive candidate for biotechnology than the widely used fungal β-galactosidases.

This work introduces a new faster implementation of the hydrogen bond network (complex arrangement of hydrogen bonds between or within molecules) search algorithm in biomacromolecules and their environment. Existing implementation of such an algorithm in GROMACS [Abraham et al. GROMACS 2024.2 Manual. 2024.] has limitations in the analysis of large structures and trajectories. The new implementation, in the form of a native GROMACS trajectory analysis module, allows for quick analysis of molecular dynamics trajectories without restrictions, thus overcoming the limitations of the original algorithm. The application of the developed method enabled the acquisition and analysis of hydrogen bond networks in the studied defensin-like protein Pentadiplandra brazzeana, as well as the study of hydrogen bond occupancies between the protein's residues and water molecules. The data obtained using the new implementation coincided with the experimental data.

The 26S proteasome is a unique multicatalytic proteinase complex, together with a ubiquitination system, providing controlled degradation of most intracellular eukaryotic proteins. The problem of studying the proteasome is the multiplicity of its intracellular forms, which are formed due to the modularity of the proteasome assembly process. In this study, using cryoelectron microscopy, we described for the first time the structure of the 26S human immunoproteasome in comparison with its constitutive form with a resolution of 3.6 Å. A detailed analysis of the structural features of the two complexes revealed the opening of the entrance in the outer heptameric 20S ring of the immunoproteasome subunit due to the separation of the N-terminal regions of the PSMA4 and PSMA5 subunits and the formation of a π–π stacking between the amino acid residues Tyr5 and Phe9 of the PSMA5 and PSMA6 subunits, respectively. The revealed removal of steric obstruction in the central channel of the 20S subunit may indicate the preactivation phenotype of the 26S human immunoproteasome, even in the absence of a bound substrate.

Abstract This work describes a fast implementation of software algorithm associated with determination of protein secondary structure based on the DSSP algorithm. This implementation is fully compatible with the DSSP v.4 algorithm and implemented as native Gromacs trajectory analysis module which allows to analyze molecular dynamics trajectories without any restrictions of the original DSSP implementation. Also this implementation works much faster then original DSSP v.4 algorithm.

ABSTRACT Thermorubin (THR) is an aromatic anthracenopyranone antibiotic active against both Gram-positive and Gram-negative bacteria. It is known to bind to the 70S ribosome at the intersubunit bridge B2a and was thought to inhibit factor-dependent initiation of translation and obstruct the accommodation of tRNAs into the A site. Here, we show that thermorubin causes ribosomes to stall in vivo and in vitro at internal and termination codons, thereby allowing the ribosome to initiate protein synthesis and translate at least a few codons before stalling. Our biochemical data show that THR affects multiple steps of translation elongation with a significant impact on the binding stability of the tRNA in the A site, explaining premature cessation of translation. Our high-resolution crystal and cryo-EM structures of the 70S-THR complex show that THR can co-exist with P- and A-site tRNAs, explaining how ribosomes can elongate in the presence of the drug. Remarkable is the ability of THR to arrest ribosomes at the stop codons. Our data suggest that by causing structural re-arrangements in the decoding center, THR interferes with the accommodation of tRNAs or release factors into the ribosomal A site. HIGHLIGHTS Thermorubin is a potent inhibitor of protein synthesis both in vivo and in vitro ; Thermorubin does not prevent the binding of P- and A-site tRNAs; Thermorubin affects multiple steps of translation elongation with a major impact on binding stability of the A-site tRNA; Thermorubin can act as an inhibitor of translation termination on some ORFs.