Abstract Chromosome loss that results in monosomy is detrimental to viability, yet, it is frequently observed in cancers. How cancers survive with monosomy is unknown. Using p53 deficient monosomic cell lines, we found that chromosome loss impairs proliferation and genomic stability. Transcriptome and proteome analysis revealed a partial compensation of the gene dosage changes that mitigates the effects of chromosome loss. Monosomy triggers global gene expression changes that differ from the effects of trisomy. We show that ribosome biogenesis and translation were commonly downregulated in monosomic cells, likely due to haploinsufficiency of ribosomal genes. The ensuing ribosome biogenesis stress triggers the p53 pathway and G1 arrest when TP53 is reintroduced into monosomic cells. Accordingly, impaired ribosome biogenesis and p53 inactivation are associated with monosomy in cancer. Our first systematic study of monosomy in human cells explains why monosomy is so detrimental and how loss of p53 enables its incidence in cancer.

Ribosome profiling (or Ribo-seq) is a technique that provides genome-wide information on the translational landscape (translatome). Across different plant studies, variable methodological setups have been described which raises questions about the general comparability of data that were generated from diverging methodologies. Furthermore, a common problem when performing Ribo-seq are abundant rRNA fragments that are wastefully incorporated into the libraries and dramatically reduce sequencing depth. To remove these rRNA contaminants, it is common to perform preliminary trials to identify these fragments because they are thought to vary depending on nuclease treatment, tissue source, and plant species. Here, we compile valuable insights gathered over years of generating Ribo-seq datasets from different species and experimental setups. We highlight which technical steps are important for maintaining cross experiment comparability and describe a highly efficient approach for rRNA removal. Furthermore, we provide evidence that many rRNA fragments are structurally preserved over diverse nuclease regimes, as well as across plant species. Using a recently published cryo-electron microscopy (cryo-EM) structure of the tobacco 80S ribosome, we show that the most abundant rRNA fragments are spatially derived from the solvent-exposed surface of the ribosome. The guidelines presented here shall aid newcomers in establishing ribosome profiling in new plant species and provide insights that will help in customizing the methodology for individual research goals.

Abstract Ribosome profiling (Ribo-seq) is a powerful method for the deep analysis of translation mechanisms and regulatory circuits during gene expression. Here, we established an optimized and high resolution Ribo-seq protocol for the unicellular model alga Chlamydomonas reinhardtii (Chlamydomonas). Comparing different nuclease treatments for the extraction and sequencing of ribosome-protected fragments (RPFs) and parallel RNA-seq, provided deep insight into translational dynamics and post-transcriptional control of gene expression, thoroughly covering more than 10,000 different transcripts. Our high quality Ribo-seq protocol captures the 3-nucleotide movement of elongating ribosomes along nuclear and chloroplast transcripts. Detailed analysis of the ribosomal offsets on transcripts uncovers presumable transition states during translocation of elongating ribosomes within the 5’- and 3’-sections of transcripts and features of eukaryotic translation termination. These offsets reveal drastic differences between the nature of cytosolic and chloroplast translation mechanisms. Chloroplast translation is further characterized by heterogenous RPF size distribution. We found that local accumulation of small RPFs correlates with local slowdown of psbA translation, possibly revealing an uncharacterized regulator step during PsbA/D1 synthesis. Further analyses of RPF distribution along specific cytosolic transcripts revealed characteristic patterns of translation elongation exemplified for the major light harvesting complex proteins, LHCs. Moreover, our Ribo-seq data can be utilized to survey coding sequence annotations and the expression preference of alternatively spliced transcripts in Chlamydomonas. We made these features easily accessible for the research community by attaching our Ribo-seq data to the most recent Chlamydomonas reference genome.

Chloroplast gene expression is tightly regulated and majorly controlled on the level of protein synthesis. Fine-tuning of translation is vital for plant development, acclimation to environmental challenges and for the assembly of major protein complexes such as the photosynthesis machinery. However, many regulatory mediators and the interaction network of chloroplast ribosomes are not known to date. We report here on a deep proteomic analysis of the plastidic ribosome interaction network in Chlamydomonas reinhardtii cells. Affinity-purification of ribosomes was achieved via endogenous affinity tagging of the chloroplast-encoded protein Rpl5, yielding a specific enrichment of >650 chloroplast-localized proteins. The ribosome interaction network was validated for several proteins and provides a new source of mainly conserved factors directly linking translation with central processes such as protein folding, photosystem biogenesis, redox control, RNA maturation, energy and metabolite homeostasis. Our approach provided the first evidence for the existence of a plastidic co-translational acting N-acetyltransferase (cpNAT1). Expression of tagged cpNAT1 confirmed its ribosome-association, and we demonstrated the ability of cpNAT1 to acetylate substrate proteins at their N-terminus. Our dataset establishes that the chloroplast protein synthesis machinery acts as nexus in a highly choreographed, spatially interconnected protein network and underscores its wide-ranging regulatory potential during gene expression.