SUMMARY Oxidative stress causes K63-linked ubiquitination of ribosomes by the E2 ubiquitin conjugase, Rad6. How Rad6-mediated ubiquitination of ribosomes affects global translation, however, is unclear. We therefore performed Ribo-seq and Disome-seq in Saccharomyces cerevisiae, and found that oxidative stress caused ribosome pausing at specific amino acid motifs, and this also led to ribosome collisions. However, these redox pausing signatures were lost in the absence of Rad6 but did not depend on the ribosome-associated quality control (RQC) pathway. We also found that Rad6 is needed to inhibit overall translation in response to oxidative stress and its deletion leads to increased expression of antioxidant genes. Finally, we observed that the lack of Rad6 leads to changes during translation initiation that affect activation of the integrated stress response (ISR) pathway. Our results provide a high-resolution picture of the gene expression changes during oxidative stress and unravel an additional stress response pathway affecting translation elongation. HIGHLIGHTS Rad6 is required for sequence-specific ribosome pausing under oxidative stress. Rad6 affects translation independently of the RQC pathway. Cells lacking Rad6 show dysregulated translational repression upon oxidative stress. Loss of Rad6 leads to altered activation of the ISR pathway.

Abstract Protein ubiquitination is an essential process that rapidly regulates protein synthesis, function, and fate in dynamic environments. Among its non-proteolytic functions, K63 ubiquitin accumulates in yeast cells exposed to oxidative stress, stalling ribosomes at elongation. K63 ubiquitin conjugates accumulate because of redox inhibition of the deubiquitinating enzyme Ubp2, however, the role and regulation of ubiquitin conjugating enzymes in this pathway remained unclear. Here we found that the E2 Rad6 binds and modifies elongating ribosomes during oxidative stress. We elucidated a mechanism by which Rad6 and its human homolog UBE2A are redox-regulated by forming reversible disulfides with the E1 activating enzyme, Uba1. We further showed that Rad6 activity is necessary to regulate translation, antioxidant defense, and adaptation to stress. Finally, we showed that Rad6 is required to induce phosphorylation of the translation initiation factor eIF2α, providing a novel link for K63 ubiquitin, elongation stalling, and the integrated stress response.

Protein ubiquitination is essential to govern cellular ability to cope with harmful environments by regulating many aspects of protein dynamics from synthesis to degradation. As important as the ubiquitination process, the reversal of ubiquitin chains mediated by deubiquitinating enzymes (DUBs) is critical for proper recovery from stress and re-establishment of proteostasis. Although it is known that ribosomes are decorated with K63-linked polyubiquitin (K63-ub) chains that control protein synthesis under stress, the mechanisms by which these ubiquitin chains are reversed and regulate proteostasis during stress recovery are still illusive. Here, we showed in budding yeast that the DUB Ubp2 is redox regulated during oxidative stress in a reversible manner, which determines the levels of K63-ub chains present on ribosomes. We also demonstrate that Ubp2 is a processive enzyme whose activity is modulated by a series of repeated domains and the formation of important disulfide bonds. By combining, cellular, biochemical, and proteomics analyses, we showed that Ubp2 is crucial for restoring translation after stress cessation, indicating an important role in determining cellular response to oxidative stress. Our work demonstrates a novel role for Ubp2, revealing that a range of signaling pathways can be controlled by redox regulation of DUB activity in eukaryotes, which in turn will define cellular states of health and diseases.