Phosphomannose isomerase (PMI) deficiency is the cause of a new type of carbohydrate-deficient glycoprotein syndrome (CDGS). The disorder is caused by mutations in the PMI1 gene. The clinical phenotype is characterized by protein-losing enteropathy, while neurological manifestations prevailing in other types of CDGS are absent. Using standard diagnostic procedures, the disorder is indistinguishable from CDGS type Ia (phosphomannomutase deficiency). Daily oral mannose administration is a successful therapy for this new type of CDG syndrome classified as CDGS type Ib.

Abstract The presequence translocase of the mitochondrial inner membrane (TIM23) represents the major route for the import of nuclear-encoded proteins into mitochondria 1,2 . About 60% of more than 1,000 different mitochondrial proteins are synthesized with amino-terminal targeting signals, termed presequences, which form positively charged amphiphilic α-helices 3,4 . TIM23 sorts the presequence proteins into the inner membrane or matrix. Various views, including regulatory and coupling functions, have been reported on the essential TIM23 subunit Tim17 (refs. 5–7 ). Here we mapped the interaction of Tim17 with matrix-targeted and inner membrane-sorted preproteins during translocation in the native membrane environment. We show that Tim17 contains conserved negative charges close to the intermembrane space side of the bilayer, which are essential to initiate presequence protein translocation along a distinct transmembrane cavity of Tim17 for both classes of preproteins. The amphiphilic character of mitochondrial presequences directly matches this Tim17-dependent translocation mechanism. This mechanism permits direct lateral release of transmembrane segments of inner membrane-sorted precursors into the inner membrane.

Abstract Bacterial dormancy is a valuable strategy to survive stressful conditions. Toxins from chromosomal toxin-antitoxin systems have the potential to halt cell growth, induce dormancy and eventually promote a stress-tolerant persister state. Due to their potential toxicity when overexpressed, sophisticated expression systems are needed when studying toxin genes. Here, we present an optimized plasmid expression system for toxin genes based on an artificial 5’ untranslated region. We applied the system to induce expression of the toxin gene tisB from the chromosomal type I toxin- antitoxin system tisB/istR-1 in Escherichia coli . TisB is a small hydrophobic protein that targets the inner membrane, resulting in depolarization and ATP depletion. We analyzed TisB-producing cells by RNA- sequencing and revealed several genes with a role in recovery from TisB-induced dormancy, including the chaperone genes ibpB , spy and cpxP . The importance of chaperone genes suggested that TisB- producing cells are prone to protein aggregation, which was validated by an in vivo fluorescent reporter system. We moved on to show that TisB is an essential factor for protein aggregation upon DNA damage mediated by the fluoroquinolone antibiotic ciprofloxacin in E. coli wild-type cells. The occurrence of protein aggregates correlates with an extended dormancy duration, which underscores their importance for the life cycle of TisB-dependent persister cells. Importance Protein aggregates occur in all living cells due to misfolding of proteins. In bacteria, protein aggregation is associated with cellular inactivity, which is related to dormancy and tolerance to stressful conditions, including the exposure to antibiotics. In Escherichia coli , the membrane toxin TisB is an important factor for dormancy and antibiotic tolerance upon DNA damage mediated by the fluoroquinolone antibiotic ciprofloxacin. Here, we show that TisB provokes protein aggregation, which in turn promotes a deeper state of cellular dormancy. Our study suggests that protein aggregation is a consequence of membrane toxins with the potential to affect the duration of dormancy and the outcome of antibiotic therapy.

Abstract The universally conserved protein YidC aids the insertion and folding of transmembrane polypeptides independently or as a part of the SecYEG translocon complex. In the former scenario, the lipid-exposed YidC surface equipped with a highly conserved positively charged arginine is thought to facilitate membrane insertion of the nascent chain by providing a countercharge for the acidic residues at the polypeptide’s N-terminal region. Here we show that the purified and reconstituted E. coli YidC forms an ion-conducting transmembrane pore upon binding a ribosome or ribosome-nascent chain complex (RNC). This pore is closed in the absence of ribosomes. As this pore is not visible in the published monomeric YidC structure, we used AlphaFold to construct the model of a parallel YidC dimer. Experimental evidence for a dimeric assembly comes from our BN-PAGE analysis of native vesicles, fluorescence correlation spectroscopy studies, and single-molecule fluorescence microscopy. In the dimeric model, the conserved positively charged arginine and many residues interacting with nascent chains point into the putative pore. This result suggests the possibility of an alternative mode of YidC-assisted membrane protein insertion.

Summary Ribosome hibernation is a commonly used strategy that protects ribosomes under unfavorable conditions and regulates developmental processes. Multiple ribosome-hibernation factors have been identified in all domains of life, but due to their structural diversity and the lack of a common inactivation mechanism, it is currently unknown how many different hibernation factors exist. Here, we show that the YqjD/ElaB/YgaM paralogs, initially discovered as membrane-bound ribosome binding proteins in E. coli, constitute an abundant class of ribosome-hibernating proteins, which are conserved across all proteobacteria and some other bacterial phyla. Our data demonstrate that they inhibit in vitro protein synthesis by interacting with the 50S ribosomal subunit. In vivo cross-linking combined with mass spectrometry reveals their specific interactions with proteins surrounding the ribosomal tunnel exit and even their penetration into the ribosomal tunnel. Thus, YqjD/ElaB/YgaM inhibit translation by blocking the ribosomal tunnel and thus mimic the activity of antimicrobial peptides and macrolide antibiotics.

Abstract The universally conserved P-loop ATPase Ola1 is implicated in various cellular stress response pathways, as well as in cancer and tumor progression. However, Ola1p functions are divergent between species and the involved mechanisms are only poorly understood. Here, we studied the role of Ola1p in the heat shock response of the yeast Saccharomyces cerevisiae using a combination of quantitative and pulse labeling-based proteomics approaches, in vitro studies and cell-based assays. Our data show that when heat stress is applied to cells lacking Ola1p, the expression of stress-protective proteins is enhanced. During heat stress Ola1p associates with detergent-resistant protein aggregates and rapidly forms assemblies that localize to stress granules. The assembly of Ola1p was also observed in vitro using purified protein and conditions, which resembled those in living cells. We show that loss of Ola1p results in increased protein ubiquitination of detergent-insoluble aggregates recovered from heat-shocked cells. When subsequently cells lacking Ola1p were relieved from heat stress, reinitiation of translation was delayed, whereas, at the same time, de novo synthesis of central factors required for protein refolding and the clearance of aggregates was enhanced when compared to wildtype cells. The combined data suggest that upon acute heat stress, Ola1p is involved in the stabilization of misfolded proteins, which become sequestered in cytoplasmic stress granules. This function of Ola1p enables cells to resume translation in a timely manner as soon as heat stress is relieved.

The universally conserved YchF/Ola1 ATPases regulate stress response pathways in prokaryotes and eukaryotes. Deletion of YchF/Ola1 leads to increased resistance against environmental stressors, such as reactive oxygen species, while their upregulation is associated with tumorigenesis in humans. The current study shows that in E. coli, the absence of YchF stimulates the synthesis of the alternative sigma factor RpoS by a transcription-independent mechanism. Elevated levels of RpoS then enhance the transcription of major stress-responsive genes. In addition, the deletion of ychF increases the levels of polyphosphate kinase, which in turn boosts the production of the evolutionary conserved and ancient chemical chaperone polyphosphate. This potentially provides a unifying concept for the increased stress resistance in bacteria and eukaryotes upon YchF/Ola1 deletion. Intriguingly, the simultaneous deletion of ychF and the polyphosphate-degrading enzyme exopolyphosphatase causes synthetic lethality in E. coli, demonstrating that polyphosphate production needs to be fine-tuned to prevent toxicity.