ABSTRACT Ribosome-targeting antibiotics serve both as powerful antimicrobials and as tools for studying the ribosome. The ribosomal catalytic site, the peptidyl transferase center (PTC), is targeted by a large number of various drugs. The classical and best-studied PTC-acting antibiotic chloramphenicol, as well as the newest clinically significant linezolid, were considered indiscriminate inhibitors of every round of peptide bond formation, presumably inhibiting protein synthesis by stalling ribosomes at every codon of every gene being translated. However, it was recently discovered that chloramphenicol or linezolid, and many other PTC-targeting drugs, preferentially arrest translation when the ribosome needs to polymerize particular amino acid sequences. The molecular mechanisms and structural bases that underlie this phenomenon of context-specific action of even the most basic ribosomal antibiotics, such as chloramphenicol, are unknown. Here we present high-resolution structures of ribosomal complexes, with or without chloramphenicol, carrying specific nascent peptides that support or negate the drug action. Our data suggest that specific amino acids in the nascent chains directly modulate the antibiotic affinity to the ribosome by either establishing specific interactions with the drug molecule or obstructing its placement in the binding site. The model that emerged from our studies rationalizes the critical importance of the penultimate residue of a growing peptide for the ability of the drug to stall translation and provides the first atomic-level understanding of context specificity of antibiotics that inhibit protein synthesis by acting upon the PTC.

While the centrality of post-transcriptional modifications to RNA biology has long been acknowledged, the function of the vast majority of modified sites remains to be discovered. Illustrative of this, there is not yet a discrete biological role assigned for one the most highly conserved modifications, 5-methyluridine at position 54 in tRNAs (m 5 U54). Here, we uncover contributions of m 5 U54 to both tRNA maturation and protein synthesis. Our mass spectrometry analyses demonstrate that cells lacking the enzyme that installs m 5 U in the T-loop (TrmA in E. coli , Trm2 in S. cerevisiae ) exhibit altered tRNA modifications patterns. Furthermore, m 5 U54 deficient tRNAs are desensitized to small molecules that prevent translocation in vitro. This finding is consistent with our observations that, relative to wild-type cells, trm2 Δ cell growth and transcriptome-wide gene expression are less perturbed by translocation inhibitors. Together our data suggest a model in which m 5 U54 acts as an important modulator of tRNA maturation and translocation of the ribosome during protein synthesis.

Abstract A 19-amino acid long p roline- r ich a nti m icrobial p eptide (PrAMP) Drosocin (Dro) is encoded in the fruit fly genome. Native Dro is glycosylated at a specific threonine residue, but the non-glycosylated peptide retains antibacterial activity. Dro shows sequence similarity to several other PrAMPs that bind in the ribosomal nascent peptide exit tunnel and inhibit protein synthesis by varying mechanisms. However, the target and mechanism of action of Dro remain unknown. Here we show that the primary mode of Dro action is inhibition of termination of protein synthesis. Our in vitro and in vivo experiments demonstrate that Dro stalls ribosomes at stop codons, likely sequestering class 1 release factors associated with the terminating ribosome. As the result, Dro strongly promotes readthrough of stop codons at subinhibitory concentrations. The elucidated mode of Dro action allows assigning it as the second member of the type II PrAMPs, of which only one representative, the antimicrobial peptide apidaecin (Api) produced by honeybees, was previously known. However, despite its functional similarity with Api, Dro interacts with the target in a markedly distinct way. The analysis of a comprehensive single-amino acid substitution library of endogenously expressed Dro variants shows that binding to the ribosome involves interactions of multiple amino acid residues distributed through the entire length of the PrAMP. Our data further show that the ribosome-targeting activity of non-glycosylated Dro can be significantly enhanced by single amino acid substitutions illuminating directions for improving its antibacterial properties.

Abstract PoxtA and OptrA are ATP binding cassette (ABC) proteins of the F subtype (ABCF) that confer resistance to oxazolidinone, such as linezolid, and phenicol antibiotics, such as chloramphenicol. PoxtA/OptrA are often encoded on mobile genetic elements, facilitating their rapid spread amongst Gram-positive bacteria. These target protection proteins are thought to confer resistance by binding to the ribosome and dislodging the antibiotics from their binding sites. However, a structural basis for their mechanism of action has been lacking. Here we present cryo-electron microscopy structures of PoxtA in complex with the Enterococcus faecalis 70S ribosome at 2.9–3.1 Å, as well as the complete E. faecalis 70S ribosome at 2.2–2.5 Å. The structures reveal that PoxtA binds within the ribosomal E-site with its antibiotic resistance domain (ARD) extending towards the peptidyltransferase center (PTC) on the large ribosomal subunit. At its closest point, the ARD of PoxtA is still located >15 Å from the linezolid and chloramphenicol binding sites, suggesting that drug release is elicited indirectly. Instead, we observe that the ARD of PoxtA perturbs the CCA-end of the P-site tRNA causing it to shift by ∼4 Å out of the PTC, which correlates with a register shift of one amino acid for the attached nascent polypeptide chain. Given that linezolid and chloramphenicol are context-specific translation elongation inhibitors, we postulate that PoxtA/OptrA confer resistance to oxazolidinones and phenicols indirectly by perturbing the P-site tRNA and thereby altering the conformation of the attached nascent chain to disrupt the drug binding site.

The ribosome is an essential drug target as many classes of clinically important antibiotics bind and inhibit its functional centers. The catalytic peptidyl transferase center (PTC) is targeted by the broadest array of inhibitors belonging to several chemical classes. One of the most abundant and clinically prevalent mechanisms of resistance to PTC-acting drugs is C8-methylation of the universally conserved adenine residue 2503 (A2503) of the 23S rRNA by the methyltransferase Cfr. Despite its clinical significance, a sufficient understanding of the molecular mechanisms underlying Cfr-mediated resistance is currently lacking. In this work, we developed a method to express a functionally-active Cfr-methyltransferase in the thermophilic bacterium Thermus thermophilus and report a set of high-resolution structures of the Cfr-modified 70S ribosome containing aminoacyl- and peptidyl-tRNAs. Our structures reveal that an allosteric rearrangement of nucleotide A2062 upon Cfr-methylation of A2503 is likely responsible for the inability of some PTC inhibitors to bind to the ribosome, providing additional insights into the Cfr resistance mechanism. Lastly, by determining the structures of the Cfr-methylated ribosome in complex with the antibiotics iboxamycin and tylosin, we provide the structural bases behind two distinct mechanisms of evading Cfr-mediated resistance.

Ribosomally synthesized and post-translationally modified peptides (RiPPs) are a rapidly expanding and largely untapped class of natural products with various biological activities. Linear azol(in)e-containing peptides (LAPs) comprise a subclass of RiPPs that display an outstanding diversity of mechanisms of action while sharing common structural features. Here, we report the discovery of a new LAP biosynthetic gene cluster in the genome of Rhizobium sp. Pop5, which encodes the precursor peptide and modification machinery of phazolicin (PHZ) – an extensively modified peptide exhibiting narrow-spectrum antibacterial activity against some symbiotic bacteria of leguminous plants belonging to the Rhizobiales. PHZ inhibits prokaryotic translation through the obstruction of the passage of the nascent peptide through the ribosome exit channel. The cryo-EM structure of the Escherichia coli ribosome with bound PHZ revealed that the drug interacts with the 23S rRNA and ribosomal proteins uL4 and uL22 and obstructs the exit tunnel in a way that is distinct from other compounds blocking the exit channel. We show that the sequence of uL4 ribosomal protein loop involved in PHZ binding determines the species-specificity of antibiotic interaction with its target. PHZ and its predicted homologs from other bacterial species expand the known diversity of LAPs and may be used in the future as biocontrol agents for the needs of agriculture.

Pooled knockdown libraries of essential genes are useful tools for elucidating the mechanisms of action of antibacterial compounds, a pivotal step in antibiotic discovery. However, achieving genomic coverage of antibacterial targets poses a challenge due to the uneven proliferation of knockdown mutants during pooled growth, leading to the unintended loss of important targets. To overcome this issue, we describe the construction of CIMPLE ( C RISPR i - m ediated p ooled library of e ssential genes), a rationally designed pooled knockdown library built in a model antibiotic-resistant bacteria,

ABSTRACT Thermorubin (THR) is an aromatic anthracenopyranone antibiotic active against both Gram-positive and Gram-negative bacteria. It is known to bind to the 70S ribosome at the intersubunit bridge B2a and was thought to inhibit factor-dependent initiation of translation and obstruct the accommodation of tRNAs into the A site. Here, we show that thermorubin causes ribosomes to stall in vivo and in vitro at internal and termination codons, thereby allowing the ribosome to initiate protein synthesis and translate at least a few codons before stalling. Our biochemical data show that THR affects multiple steps of translation elongation with a significant impact on the binding stability of the tRNA in the A site, explaining premature cessation of translation. Our high-resolution crystal and cryo-EM structures of the 70S-THR complex show that THR can co-exist with P- and A-site tRNAs, explaining how ribosomes can elongate in the presence of the drug. Remarkable is the ability of THR to arrest ribosomes at the stop codons. Our data suggest that by causing structural re-arrangements in the decoding center, THR interferes with the accommodation of tRNAs or release factors into the ribosomal A site. HIGHLIGHTS Thermorubin is a potent inhibitor of protein synthesis both in vivo and in vitro ; Thermorubin does not prevent the binding of P- and A-site tRNAs; Thermorubin affects multiple steps of translation elongation with a major impact on binding stability of the A-site tRNA; Thermorubin can act as an inhibitor of translation termination on some ORFs.

Bifunctional Rel stringent factors, the most broadly distributed class of RSHs, are ribosome-associated enzymes that transfer a pyrophosphate group from ATP onto the 3′ of GTP or GDP to synthesize (p)ppGpp and also catalyse the 3′ pyrophosphate hydrolysis of the alarmone to degrade it. The precise regulation of these enzymes seems to be a complex allosteric mechanism, and despite decades of research, it is unclear how the two opposing activities of Rel are controlled at the molecular level. Here we show that a stretch/recoil guanosine-switch mechanism controls the catalytic cycle of T. thermophilus Rel (RelTf). The binding of GDP/ATP stretches apart the NTD catalytic domains of RelTf (RelTtNTD) activating the synthetase domain and allosterically blocking the hydrolase active site. Conversely, binding of ppGpp unlocks the hydrolase domain and triggers recoil of both NTDs, which partially buries the synthetase active site and precludes the binding of synthesis precursors. This allosteric mechanism acts as an activity switch preventing futile cycles of alarmone synthesis and degradation.