Abstract Mitochondrial stress and dysfunction play important roles in many pathologies. However, how cells respond to mitochondrial stress is not fully understood. Here, we examined the translational response to electron transport chain (ETC) inhibition and arsenite induced mitochondrial stresses. Our analysis revealed that during mitochondrial stress, tRNA modifications (namely f5C, hm5C, queuosine and its derivatives, and mcm5U) dynamically change to fine tune codon decoding, usage, and optimality. These changes in codon optimality drive the translation of many pathways and gene sets, such as the ATF4 pathway and selenoproteins, involved in the cellular response to mitochondrial stress. We further examined several of these modifications using targeted approaches. ALKBH1 knockout (KO) abrogated f5C and hm5C levels and led to mitochondrial dysfunction, reduced proliferation, and impacted mRNA translation rates. Our analysis revealed that tRNA queuosine (tRNA-Q) is a master regulator of the mitochondrial stress response. KO of QTRT1 or QTRT2, the enzymes responsible for tRNA-Q synthesis, led to mitochondrial dysfunction, translational dysregulation, and metabolic alterations in mitochondria-related pathways, without altering cellular proliferation. In addition, our analysis revealed that tRNA-Q loss led to a domino effect on various tRNA modifications. Some of these changes could be explained by metabolic profiling. Our analysis also revealed that utilizing serum deprivation or alteration with Queuine supplementation to study tRNA-Q or stress response can introduce various confounding factors by altering many other tRNA modifications. In summary, our data show that tRNA modifications are master regulators of the mitochondrial stress response by driving changes in codon decoding.

Abstract The wobble bases of tRNAs that decode split codons are often heavily modified. In Bacteria tRNA Glu, Gln, Asp contain a variety of xnm 5 s 2 U derivatives. The synthesis pathway for these modifications is complex and fully elucidated only in a handful of organisms, including the Gram-negative Escherichia coli K12 model. Despite the ubiquitous presence of mnm 5 s 2 U modification, genomic analysis shows the absence of mnmC orthologous genes, suggesting the occurrence of alternate biosynthetic schemes for the installation of this modification. Using a combination of comparative genomics and genetic studies, a member of the YtqA subgroup of the Radical Sam superfamily was found to be involved in the synthesis of mnm 5 s 2 U in both Bacillus subtilis and Streptococcus mutans . This protein, renamed MnmL, is encoded in an operon with the recently discovered MnmM methylase involved in the methylation of the pathway intermediate nm 5 s 2 U into mnm 5 s 2 U in B. subtilis . Analysis of tRNA modifications of both S. mutans and Streptococcus pneumoniae shows that growth conditions and genetic backgrounds influence the ratios of pathways intermediates in regulatory loops that are not yet understood. The MnmLM pathway is widespread along the bacterial tree, with some phyla, such as Bacilli, relying exclusively on these two enzymes. The occurrence of fusion proteins, alternate arrangements of biosynthetic components, and loss of biosynthetic branches provide examples of biosynthetic diversity to retain a conserved tRNA modification in nature. Importance The xnm 5 s 2 U modifications found in several tRNAs at the wobble base position are widespread in Bacteria where they have an important role in decoding efficiency and accuracy. This work identifies a novel enzyme (MnmL) that is a member of a subgroup of the very versatile Radical SAM superfamily and is involved in the synthesis of mnm 5 s 2 U in several Gram-positive bacteria, including human pathogens. This is another novel example of a non-orthologous displacement in the field of tRNA modification synthesis, showing how different solutions evolve to retain U34 tRNA modifications.

The tRNA epitranscriptome has been recognized as an important player in mRNA translation regulation. Our knowledge of the role of tRNA epitranscriptome in fine-tuning translation codon decoding at tissue or cell levels remains incomplete. Here, we analyzed seven tissues from mice for the expression of tRNA modifications and mature tRNAs as well as mRNA translation, using Ribo-seq. Our analysis revealed distinct enrichment patterns of tRNA modifications in tissues. Using three different metrics for codon analysis; isoacceptors frequencies, total codon frequencies, and A-site pausing, we revealed a strong A/T vs G/C ending codons bias in most tissues. The brain was the least biased tissue and was unique compared to all other tissues. Using this observation, we synthesized codon mutated EGFP that was delivered In vivo via adenoviral vectors. The protein levels of mutant EGFP were downregulated in liver, which is poor in queuosine, when NAC codons were exchanged for NAU codons, while in brain, which is rich in queuosine, EGFP levels did not change. This data is proof of concept that understanding tRNA modifications changes and codon optimality patterns can be utilized for optimizing gene and mRNA therapeutics to be more tissue, cell, or condition specific.

Abstract The study for the pathophysiology study of Alzheimer’s disease (AD) has been hampered by lack animal models that recapitulate the major AD pathologies, including extracellular β-amyloid (Aβ) deposition, intracellular aggregation of microtubule associated protein tau (MAPT), inflammation and neurodegeneration. We now report on a double transgenic APP NL-G-F MAPT P301S mouse that at 6 months of age exhibits robust Aβ plaque accumulation, intense MAPT pathology, strong inflammation and extensive neurodegeneration. The presence of Aβ pathology potentiated the other major pathologies, including MAPT pathology, inflammation and neurodegeneration. However, MAPT pathology neither changed levels of amyloid precursor protein nor potentiated Aβ accumulation. The APP NL-G-F /MAPT P301S mouse model also showed strong accumulation of N 6 -methyladenosine (m 6 A), which was recently shown to be elevated in the AD brain. M6A primarily accumulated in neuronal soma, but also co-localized with a subset of astrocytes and microglia. The accumulation of m6A corresponded with increases in METTL3 and decreases in ALKBH5, which are enzymes that add or remove m 6 A from mRNA, respectively. Thus, the APP NL- G-F /MAPT P301S mouse recapitulates many features of AD pathology beginning at 6 months of aging.

The 40-50 RNA modifications of the epitranscriptome regulate posttranscriptional gene expression. Here we show that flaviviruses hijack the host tRNA epitranscriptome to promote expression of pro-viral proteins, with tRNA-modifying ALKBH1 acting as a host restriction factor in dengue virus infection. Early in the infection of human Huh-7 cells, ALKBH1 and its tRNA products 5-formylcytidine (f5C) and 29-O-methyl-5-formylcytidine (f5Cm) were reduced. ALKBH1 knockdown mimicked viral infection, but caused increased viral NS3 protein levels during infection, while ALKBH1 overexpression reduced NS3 levels and viral replication, and increased f5C and f5Cm. Viral NS5, but not host FTSJ1, increased f5Cm levels late in infection. Consistent with reports of impaired decoding of leucine UUA codon by f5Cm-modified tRNALeu(CAA), ALKBH1 knockdown induced translation of UUA-deficient transcripts, most having pro-viral functions. Our findings support a dynamic ALKBH1/f5Cm axis during dengue infection, with virally-induced remodeling of the proteome by tRNA reprogramming and codon-biased translation.

ABSTRACT The most virulent human malaria parasite, Plasmodium falciparum , has a complex life cycle between its human host and mosquito vector. Each stage is driven by a specific transcriptional program, but with a relatively high ratio of genes to specific transcription factors, it is unclear how genes are activated or silenced at specific times. The P. falciparum genome is relatively euchromatic compared to the mammalian genome, except for specific genes that are uniquely heterochromatinized via HP1. There seems to be an association between gene activity and spatial organization; however, the molecular mechanisms behind genome organization are unclear. While P. falciparum lacks key genome-organizing proteins found in metazoans, it does have all core components of the cohesin complex. In other eukaryotes, cohesin is involved in sister chromatid cohesion, transcription, and genome organization. To investigate the role of cohesin in P. falciparum , we combined genome editing, mass spectrometry, chromatin immunoprecipitation and sequencing (ChIP-seq), and RNA sequencing to functionally characterize the cohesin subunit Structural Maintenance of Chromosomes protein 3 (SMC3). SMC3 knockdown in early stages of the intraerythrocytic developmental cycle (IDC) resulted in significant upregulation of a subset of genes involved in erythrocyte egress and invasion, which are normally expressed at later stages. ChIP-seq of SMC3 revealed that over the IDC, enrichment at the promoter regions of these genes inversely correlates with their expression and chromatin accessibility levels. These data suggest that SMC3 binding helps to repress specific genes until their appropriate time of expression, revealing a new mode of stage-specific, HP1-independent gene repression in P. falciparum .

ABSTRACT Advances in peroxidase- and biotin ligase-mediated signal amplification have enabled high-resolution subcellular mapping of endogenous RNA localization and protein-protein interactions. Application of these technologies has been limited to RNA and proteins because of the reactive groups required for biotinylation in each context. Here we report several novel methods for proximity biotinylation of exogenous oligodeoxyribonucleotides by application of well-established and convenient enzymatic tools. We describe approaches using simple and efficient conjugation chemistries to modify deoxyribonucleotides with “antennae” sensitive to phenoxy radical or biotinoyl-5’-adenylate. In addition, we report chemical details of a previously undescribed adduct between tryptophan and a phenoxy radical group. These developments have potential application in the selection of exogenous nucleic acids capable of unaided entry into living cells.

Abstract Bacteria possess elaborate systems to manage reactive oxygen and nitrogen species (ROS) arising from exposure to the mammalian immune system and environmental stresses. Here we report the discovery of an ROS-sensing RNA-modifying enzyme that regulates translation of stress-response proteins in the gut commensal and opportunistic pathogen Enterococcus faecalis . We analyzed the tRNA epitranscriptome of E. faecalis in response to reactive oxygen species (ROS) or sublethal doses of ROS-inducing antibiotics and identified large decreases in N 2 -methyladenosine (m 2 A) in both 23S ribosomal RNA and transfer RNA. This we determined to be due to ROS-mediated inactivation of the Fe-S cluster-containing methyltransferase, RlmN. Genetic knockout of RlmN gave rise to a proteome that mimicked the oxidative stress response, with increased levels of superoxide dismutase and decreased virulence proteins. While tRNA modifications are established to be dynamic for fine-tuning translation, here we report the first instance of a dynamically regulated, environmentally responsive rRNA modification. These studies lead to model in which RlmN serves as a redox-sensitive molecular switch, directly relaying oxidative stress to modulating translation through the rRNA and the tRNA epitranscriptome, revealing a new paradigm for understanding direct regulation of the proteome by RNA modifications.

Queuosine (Q) stands out as the sole tRNA modification that can be synthesized via salvage pathways. Comparative genomic analyses identified specific bacteria that showed a discrepancy between the projected Q salvage route and the predicted substrate specificities of the two identified salvage proteins: 1) the distinctive enzyme tRNA guanine-34 transglycosylase (TGT), responsible for inserting precursor bases into target tRNAs; and 2) Queuosine Precursor Transporter (QPTR), a transporter protein that imports Q precursors. Organisms like the facultative intracellular pathogen Bartonella henselae, which possess only TGT and QPTR but lack predicted enzymes for converting preQ1 to Q, would be expected to salvage the queuine (q) base, mirroring the scenario for the obligate intracellular pathogen Chlamydia trachomatis. However, sequence analyses indicate that the substrate-specificity residues of their TGTs resemble those of enzymes inserting preQ1 rather than q. Intriguingly, mass spectrometry analyses of tRNA modification profiles in B. henselae reveal trace amounts of preQ1, previously not observed in a natural context. Complementation analysis demonstrates that B. henselae TGT and QPTR not only utilize preQ1, akin to their E. coli counterparts, but can also process q when provided at elevated concentrations. The experimental and phylogenomic analyses suggest that the Q pathway in B. henselae could represent an evolutionary transition among intracellular pathogens—from ancestors that synthesized Q de novo to a state prioritizing the salvage of q. Another possibility that will require further investigations is that the insertion of preQ1 has fitness advantages when B. henselae is growing outside a mammalian host.

Summary DNA damage causes genomic instability underlying many human diseases. Traditional approaches to DNA damage analysis provide minimal insights into the spectrum of disease-driving DNA lesions and the mechanisms causing imbalances in damage formation and repair. Here we used untargeted mass spectrometry-based adductomics 1 to discover 114 putative DNA lesions and modifications consistently detected in humans and two independent analyses in rats, showing species-, tissue-, age-, and sex-biases. As evidence of methodologic rigor, 10 selected adductomic signals were structurally validated as epigenetic marks: 5-MdC, 5-HMdC, 5-FdC; DNA damage products: N 2 -CMdG, 1, N 6 ε-dA, 3, N 4 -εdC, M 1 dG, O 6/ N 2 -MdG, and 8-Oxo-dG; and established analytical artifacts: cyclobutane dimers of 2’-deoxycytosine. With steady-state levels of putative DNA adducts integrating multiple cell types in each tissue, there was strong age-dependent variation for many putative adducts, including N 2 -CMdG, 5-HMdC, and 8-Oxo-dG in rats and 1, N 6 ε-dA in human heart, as well as sex biases for 67 putative adducts in rat tissues. These results demonstrate the potential of untargeted adductomic analysis for defining DNA adducts as disease determinants, assigning substrates to DNA repair pathways, discovering new metabolically-driven DNA lesions, and quantifying inter-individual variation in DNA damage and repair across populations.