The crystal structure of the bacterial 70 S ribosome refined to 2.8 angstrom resolution reveals atomic details of its interactions with messenger RNA (mRNA) and transfer RNA (tRNA). A metal ion stabilizes a kink in the mRNA that demarcates the boundary between A and P sites, which is potentially important to prevent slippage of mRNA. Metal ions also stabilize the intersubunit interface. The interactions of E-site tRNA with the 50 S subunit have both similarities and differences compared to those in the archaeal ribosome. The structure also rationalizes much biochemical and genetic data on translation.

Ribosomes Caught in Translation To synthesize proteins, the ribosome must select cognate transfer RNAs (tRNAs) based on base-pairing with the messenger RNA (mRNA) template (a process known as decoding), form a peptide bond, and then move the mRNA:tRNA assembly relative to the ribosome (a process known as translocation). Decoding and translocation require protein guanosine triphosphatases (GTPases), and, while high-resolution structures of the ribosome have greatly furthered our understanding of ribosome function, the detailed mechanism of these GTPases during the elongation cycle remains unclear. Two Research Articles now give a clearer view of these steps in bacterial protein synthesis (see the Perspective by Liljas ). Schmeing et al. (p. 688 , published online 15 October) present the crystal structure of the ribosome bound to Elongation factor-Tu (EF-Tu) and amino-acyl tRNA that gives insight into how EF-Tu contributes to accurate decoding. Gao et al. (p. 694 , published online 15 October) describe the crystal structure of the ribosome bound to Elongation factor-G (EF-G) trapped in a posttranslocation state by the antibiotic fusidic acid that gives insight into how EF-G functions in translocation.

Recent evidence suggests that the prion protein (PrP) is a copper binding protein. The N-terminal region of human PrP contains four sequential copies of the highly conserved octarepeat sequence PHGGGWGQ spanning residues 60−91. This region selectively binds Cu2+ in vivo. In a previous study using peptide design, EPR, and CD spectroscopy, we showed that the HGGGW segment within each octarepeat comprises the fundamental Cu2+ binding unit [Aronoff-Spencer et al. (2000) Biochemistry 40, 13760−13771]. Here we present the first atomic resolution view of the copper binding site within an octarepeat. The crystal structure of HGGGW in a complex with Cu2+ reveals equatorial coordination by the histidine imidazole, two deprotonated glycine amides, and a glycine carbonyl, along with an axial water bridging to the Trp indole. Companion S-band EPR, X-band ESEEM, and HYSCORE experiments performed on a library of 15N-labeled peptides indicate that the structure of the copper binding site in HGGGW and PHGGGWGQ in solution is consistent with that of the crystal structure. Moreover, EPR performed on PrP(23−28, 57−91) and an 15N-labeled analogue demonstrates that the identified structure is maintained in the full PrP octarepeat domain. It has been shown that copper stimulates PrP endocytosis. The identified Gly−Cu linkage is unstable below pH ≈6.5 and thus suggests a pH-dependent molecular mechanism by which PrP detects Cu2+ in the extracellular matrix or releases PrP-bound Cu2+ within the endosome. The structure also reveals an unusual complementary interaction between copper-structured HGGGW units that may facilitate molecular recognition between prion proteins, thereby suggesting a mechanism for transmembrane signaling and perhaps conversion to the pathogenic form.

Abstract Protein synthesis by the ribosome involves large-scale rearrangements of the “small” subunit (SSU; ∼1 MDa), which include inter- and intra-subunit rotational motions. With more than 1000 structures of ribosomes and ribosomal subunits now publicly available, it is becoming increasingly difficult to design precise experiments that are based on a comprehensive analysis of all known rotation states. To overcome this limitation, we present the Ribosome Angle Decomposition (RAD) method, where the orientation of each small subunit head and body is described in terms of three angular coordinates (rotation, tilt and tilt direction) and a single translation. To demonstrate the utility of the accompanying software (RADtool) we applied it to all published ribosome and mitoribosome structures. This identified and analyzed 1077 fully-assembled ribosome complexes, as well as 280 isolated small subunits from 48 organisms. The RAD approach quantitatively distinguishes between previously described qualitative rotational features, determines when rotation-only descriptions are insufficient, and shows that tilt-like rearrangements of the SSU head and body are pervasive in both prokaryotic and eukaryotic ribosomes. Together, the presented database and technique provide a robust platform for systematically analyzing, visualizing, and comparing subunit orientations of ribosomes from all kingdoms of life. Accordingly, the RAD resource establishes a common foundation with which structural, simulation, single-molecule and biochemical efforts can precisely interrogate the dynamics of this prototypical molecular machine.

Acquired ribosomal RNA (rRNA) methylation has emerged as a significant mechanism of aminoglycoside resistance in pathogenic bacterial infections. Modification of a single nucleotide in the ribosome decoding center by the aminoglycoside-resistance 16S rRNA (m 7 G1405) methyltransferases effectively blocks the action of all 4,6-deoxystreptamine ring-containing aminoglycosides, including the latest generation of drugs. To define the molecular basis of 30S subunit recognition and G1405 modification by these enzymes, we used a S-adenosyl-L-methionine (SAM) analog to trap the complex in a post-catalytic state to enable determination of an overall 3.0 Ã… cryo-electron microscopy structure of the m 7 G1405 methyltransferase RmtC bound to the mature Escherichia coli 30S ribosomal subunit. This structure, together with functional analyses of RmtC variants, identifies the RmtC N-terminal domain as critical for recognition and docking of the enzyme on a conserved 16S rRNA tertiary surface adjacent to G1405 in 16S rRNA helix 44 (h44). To access the G1405 N7 position for modification, a collection of residues across one surface of RmtC, including a loop that undergoes a disorder to order transition upon 30S subunit binding, induces significant distortion of h44. This distortion flips G1405 into the enzyme active site where it is positioned for modification by two almost universally conserved RmtC residues. These studies expand our understanding of ribosome recognition by rRNA modification enzymes and present a more complete structural basis for future development of strategies to inhibit m 7 G1405 modification to re-sensitize bacterial pathogens to aminoglycosides.

Abstract Changes in bacterial ribosomal RNA methylation status can alter the activity of diverse groups of ribosome-targeting antibiotics. These modifications are typically incorporated by a single methyltransferase that acts on one nucleotide target and rRNA methylation directly prevents drug binding, thereby conferring drug resistance. Loss of intrinsic methylation can also result in antibiotic resistance. For example, Mycobacterium tuberculosis becomes sensitized to tuberactinomycin antibiotics, such as capreomycin and viomycin, due to the action of the intrinsic methyltransferase TlyA. TlyA is unique among antibiotic resistance-associated methyltransferases as it has dual 16S and 23S rRNA substrate specificity and can incorporate cytidine-2’-O-methylations within two structurally distinct contexts. Here, we report the structure of a mycobacterial 50S subunit-TlyA complex trapped in a post-catalytic state with a S-adenosyl-L-methionine analog using single-particle cryogenic electron microscopy. Together with complementary functional analyses, this structure reveals critical roles in 23S rRNA substrate recognition for conserved residues across an interaction surface that spans both TlyA domains. These interactions position the TlyA active site over the target nucleotide C2144 which is flipped from 23S Helix 69 in a process stabilized by stacking of TlyA residue Phe157 on the adjacent A2143. Base flipping may thus be a common strategy among rRNA methyltransferase enzymes even in cases where the target site is accessible without such structural reorganization. Finally, functional studies with 30S subunit suggest that the same TlyA interaction surface is employed to recognize this second substrate, but with distinct dependencies on essential conserved residues. Significance Statement The bacterial ribosome is an important target for antibiotics used to treat infection. However, resistance to these essential drugs can arise through changes in ribosomal RNA (rRNA) modification patterns through the action of intrinsic or acquired rRNA methyltransferase enzymes. How these antibiotic resistance-associated enzymes recognize their ribosomal targets for site-specific modification is currently not well defined. Here, we uncover the molecular basis for large ribosomal (50S) subunit substrate recognition and modification by the Mycobacterium tuberculosis methyltransferase TlyA, necessary for optimal activity of the antitubercular drug capreomycin. From this work, recognition of complex rRNA structures distant from the site of modification and “flipping” of the target nucleotide base both emerge as general themes in ribosome recognition for bacterial rRNA modifying enzymes.

Abstract The trans -translation pathway for rescuing stalled ribosomes is conserved and essential in bacterial pathogens but has no mammalian homolog, making it an ideal target for new antibiotics. We previously reported the discovery of a family of acylaminooxadiazoles that selectively inhibit trans -translation, resulting in broad-spectrum antibiotic activity. Optimization of the pharmacokinetic and antibiotic properties of the acylaminooxadiazoles produced MBX-4132, which cleared multiple-drug resistant Neisseria gonorrhoeae infection in mice after a single oral dose. Cryo-EM studies of non-stop ribosomes showed that acylaminooxadiazoles bind to a unique site near the peptidyl-transfer center and significantly alter the conformation of ribosomal protein L27, suggesting a novel mechanism for specific inhibition of trans -translation by these molecules. One Sentence Summary Ribosome rescue inhibitors reveal a new conformation of the ribosome and kill drug-resistant Neisseria gonorrhoeae in vivo .

Methylation of the small ribosome subunit rRNA in the ribosomal decoding center results in exceptionally high-level aminoglycoside resistance in bacteria. Enzymes that methylate 16S rRNA on N7 of nucleotide G1405 (m7G1405) have been identified in both aminoglycoside-producing and clinically drug-resistant pathogenic bacteria. Using a fluorescence polarization 30S-binding assay and a new crystal structure of the methyltransferase RmtC at 3.14 Å resolution, here we report a structure-guided functional study of 30S substrate recognition by the aminoglycoside resistance–associated 16S rRNA (m7G1405) methyltransferases. We found that the binding site for these enzymes in the 30S subunit directly overlaps with that of a second family of aminoglycoside resistance–associated 16S rRNA (m1A1408) methyltransferases, suggesting both groups of enzymes may exploit the same conserved rRNA tertiary surface for docking to the 30S. Within RmtC, we defined an N-terminal domain surface, comprising basic residues from both the N1 and N2 subdomains, that directly contributes to 30S-binding affinity. In contrast, additional residues lining a contiguous adjacent surface on the C-terminal domain were critical for 16S rRNA modification, but did not directly contribute to the binding affinity. The results from our experiments define the critical features of m7G1405 methyltransferase–substrate recognition and distinguish at least two distinct, functionally critical contributions of the tested enzyme residues: 30S-binding affinity and stabilizing a binding-induced 16S rRNA conformation necessary for G1405 modification. Our study sets the scene for future high-resolution structural studies of the 30S–methyltransferase complex and for potential exploitation of unique aspects of substrate recognition in future therapeutic strategies.* AME : aminoglycoside modifying enzyme CA-MHB : cation-adjusted Mueller-Hinton broth CTD : carboxy-terminal domain FP : fluorescence polarization h44 : (16S rRNA) helix 44 MIC : minimum inhibitory concentration NTD : amino-terminal domain Rmt : (aminoglycoside) resistance methyltransferase SAH : S-adenosylhomocysteine SAM : S-adenosyl-L-methionine Ti : inflection temperature

ABSTRACT Trans- Translation is conserved throughout bacteria and is essential in many species. High-throughput screening identified a tetrazole-based trans -translation inhibitor, KKL-55, that has broad-spectrum antibiotic activity. A biotinylated version of KKL-55 pulled down Elongation Factor Thermo-unstable (EF-Tu) from bacterial lysates. Purified EF-Tu bound KKL-55 in vitro with a K d = 2 µM, confirming a high-affinity interaction. An X-ray crystal structure showed KKL-55 binds in domain 3 of EF-Tu, and mutation of residues in the binding pocket abolished KKL-55 binding. RNA binding assays in vitro showed that KKL-55 inhibits binding between EF-Tu and tmRNA, but not between EF-Tu and tRNA. These data demonstrate a new mechanism for inhibition of EF-Tu function and suggest that this specific inhibition of EF-Tu•tmRNA binding is a viable target for antibiotic development. IMPORTANCE EF-Tu is a universally conserved translation factor that mediates productive interactions between tRNAs and the ribosome. In bacteria, EF-Tu also delivers tmRNA-SmpB to the ribosome during trans -translation. We report the first small molecule, KKL-55, that specifically inhibits EF-Tu activity in trans -translation without affecting its activity in normal translation. KKL-55 has broad-spectrum antibiotic activity, suggesting that compounds targeted to the tmRNA-binding interface of EF-Tu could be developed into new antibiotics to treat drug-resistant infections.

ABSTRACT Modifications in the tRNA anticodon, adjacent to the three-nucleotide anticodon, influence translation fidelity by stabilizing the tRNA to allow for accurate reading of the mRNA genetic code. One example is the N1-methylguaonosine modification at guanine nucleotide 37 (m 1 G37) located in the anticodon loop, immediately adjacent to the anticodon nucleotides 34-36. The absence of m 1 G37 in tRNA Pro causes +1 frameshifting on polynucleotide, slippery codons. Here, we report structures of the bacterial ribosome containing tRNA Pro bound to either cognate or slippery codons to determine how the m 1 G37 modification prevents mRNA frameshifting. The structures reveal that certain codon-anticodon contexts and m 1 G37 destabilize interactions of tRNA Pro with the peptidyl site, causing large conformational changes typically only seen during EF-G mediated translocation of the mRNA-tRNA pairs. These studies provide molecular insights into how m 1 G37 stabilizes the interactions of tRNA Pro with the ribosome and the influence of slippery codons on the mRNA reading frame. IMPACT STATEMENT Chemical modifications near the tRNA anticodon and specific mRNA-tRNA pairs combine to control the ribosomal three-nucleotide mRNA reading frame, essential for the sequential addition of amino acids into polypeptide chains. Data deposition Crystallography, atomic coordinates, and structure factors have been deposited in the Protein Data Bank, www.pdb.org (PDB codes 6NTA, 6NSH, 6NUO, 6NWY, 6O3M, 6OSI)