ABSTRACT Nicotinamide adenine dinucleotide (NAD) serves as a cap-like structure on cellular RNAs (NAD-RNAs) in all domains of life including the bacterium Escherichia coli . NAD also acts as a key molecule in phage-host interactions, where bacterial immune systems deplete NAD to abort phage infection. Nevertheless, NAD-RNAs have not yet been identified during phage infections of bacteria and the mechanisms of their synthesis and degradation are unknown in this context. The T4 phage that specifically infects E. coli presents an important model to study phage infections, but a systematic analysis of the presence and dynamics of NAD-RNAs during T4 phage infection is lacking. Here, we investigate the presence of NAD-RNAs during T4 phage infection in a dual manner. By applying time-resolved NAD captureSeq, we identify NAD-capped host and phage transcripts and their dynamic regulation during phage infection. We provide evidence that NAD-RNAs are – as reported earlier – generated by the host RNA polymerase by initiating transcription with NAD at canonical transcription start sites. In addition, we characterize NudE.1 – a T4 phage-encoded Nudix hydrolase – as the first phage-encoded NAD-RNA decapping enzyme. T4 phages carrying inactive NudE.1 display a delayed lysis phenotype. This study investigates for the first time the dual epitranscriptome of a phage and its host, thereby introducing epitranscriptomics as an important field of phage research.

Summary The tRNA methyltransferase 1 (TRMT1) enzyme catalyzes m2,2G modification in tRNAs. Intriguingly, vertebrates encode an additional tRNA methyltransferase 1-like (TRMT1L) paralog. Here, we use a comprehensive tRNA sequencing approach to decipher targets of human TRMT1 and TRMT1L. We find that TRMT1 methylates all known tRNAs containing guanosine at position 26 while TRMT1L represents the elusive enzyme catalyzing m2,2G at position 27 in tyrosine tRNAs. Surprisingly, TRMT1L is also necessary for maintaining acp3U modifications in a subset of tRNAs through a process that can be uncoupled from methyltransferase activity. We also demonstrate that tyrosine and serine tRNAs are dependent upon m2,2G modifications for their stability and function in translation. Notably, human patient cells with disease-associated TRMT1 variants exhibit reduced levels of tyrosine and serine tRNAs. These findings uncover unexpected roles for TRMT1 paralogs, decipher functions for m2,2G modifications, and pinpoint tRNAs dysregulated in human disorders caused by tRNA modification deficiency.

Methylation of cytosine 32 in the anticodon loop of tRNAs to 3-methylcytosine (m3C) is crucial for cellular translation fidelity. Misregulation of the RNA methyltransferases setting this modification can cause aggressive cancers and metabolic disturbances. However, our understanding of the substrate selection and catalysis mode of the m3C RNA methyltransferases is currently still lacking. Here, we report the cryo-electron microscopy structure of the m3C tRNA methyltransferase METTL6 in complex with seryl-tRNA synthetase (SerRS) and their common substrate tRNASer. Through the complex structure, we identify the tRNA binding domain of METTL6. We show that SerRS acts as the tRNASer substrate selection factor for METTL6. We reveal how METTL6 and SerRS jointly coordinate the long variable arm of tRNASer in their interface. We demonstrate that SerRS augments the methylation activity of METTL6 and that direct contacts between METTL6 and SerRS are necessary for efficient tRNASer methylation. Finally, based on the structure of METTL6 in complex with SerRS and tRNASer, we postulate a universal tRNA binding mode for m3C RNA methyltransferases including METTL2 and METTL8, suggesting that these mammalian paralogues use similar ways to engage their respective tRNA substrates and co-factors.

Abstract Azacytidine (AzaC) and decitabine (AzadC) are cytosine analogs that covalently trap DNA methyltransferases, which place the important epigenetic mark 5-methyl-2’-deoxycytidine by methylating 2’-deoxycytidine (dC) at the C5 position. AzaC and AzadC are used in the clinic as antimetabolites to treat myelodysplastic syndrome and acute myeloid leukemia and are explored against other types of cancer. Although their principal mechanism of action is known, the downstream effects of AzaC and AzadC treatment are not well understood and the cellular prerequisites that determine sensitivity towards AzaC and AzadC remain elusive. Here, we investigated the effects and phenotype of AzaC and AzadC exposure on the acute myeloid leukemia cell line MOLM-13. We found that while AzaC and AzadC share many effects on the cellular level, including decreased global DNA methylation, increased formation of DNA double strand breaks, transcriptional downregulation of important oncogenes and similar changes on the proteome level, AzaC failed in contrast to AzadC to induce apoptosis in MOLM-13. The only cellular marker that correlated with this clear phenotypical outcome was the level of hydroxy-methyl-dC, an additional epigenetic mark that is placed by TET enzymes and repressed in cancer cells. Whereas AzadC increased hmdC substantially in MOLM-13, AzaC treatment did not result in any increase at all. This suggests that hmdC levels in cancer cells should be monitored as a response towards AzaC and AzadC and considered as a biomarker to judge whether AzaC or AzadC treatment leads to cell death in leukemic cells.

ABSTRACT As essential components of the cellular protein synthesis machineries, tRNAs undergo a tightly controlled biogenesis process, which include the incorporation of a large number of posttranscriptional chemical modifications. Maturation defaults resulting in lack of modifications in the tRNA core may lead to the degradation of hypomodified tRNAs by the rapid tRNA decay (RTD) and nuclear surveillance pathways. Although modifications are typically introduced in tRNAs independently of each other, several modification circuits have been identified in which one or more modifications stimulate or repress the incorporation of others. We previously identified m 1 A58 as a late modification introduced after more initial modifications, such as Ѱ55 and T54 in yeast elongator tRNA Phe . However, previous reports suggested that m 1 A58 is introduced early along the tRNA modification process, with m 1 A58 being introduced on initial transcripts of initiator tRNA i Met , and hence preventing its degradation by the nuclear surveillance and RTD pathways. Here, aiming to reconcile this apparent inconsistency on the temporality of m 1 A58 incorporation, we examined the m 1 A58 modification pathways in yeast elongator and initiator tRNAs. For that, we first implemented a generic approach enabling the preparation of tRNAs containing specific modifications. We then used these specifically modified tRNAs to demonstrate that the incorporation of T54 in tRNA Phe is directly stimulated by Ѱ55, and that the incorporation of m 1 A58 is directly and individually stimulated by Ѱ55 and T54, thereby reporting on the molecular aspects controlling the Ѱ55 → T54 → m 1 A58 modification circuit in yeast elongator tRNAs. We also show that m 1 A58 is efficiently introduced on unmodified tRNA i Met , and does not depend on prior modifications. Finally, we show that the m 1 A58 single modification has tremendous effects on the structural properties of yeast tRNA i Met , with the tRNA elbow structure being properly assembled only when this modification is present. This rationalizes on structural grounds the degradation of hypomodified tRNA i Met lacking m 1 A58 by the nuclear surveillance and RTD pathways.