Abstract Target protection proteins bind to antibiotic targets and confer resistance to the host organism. One class of such proteins, termed a ntibiotic re sistance (ARE) ATP binding cassette (ABC) proteins of the F-subtype (ARE ABCFs), are widely distributed throughout Gram-positive bacteria and bind the ribosome to alleviate translational inhibition by antibiotics that target the large ribosomal subunit. Using single-particle cryo-EM, we have solved the structure of ARE ABCF–ribosome complexes from three Gram-positive pathogens: Enterococcus faecalis LsaA, Staphylococcus haemolyticus VgaA LC and Listeria monocytogenes VgaL. Supported by extensive mutagenesis analysis, these structures enable a comparative approach to understanding how these proteins mediate antibiotic resistance on the ribosome. We present evidence of mechanistically diverse allosteric relays converging on a few peptidyltransferase center (PTC) nucleotides, and propose a general model of antibiotic resistance mediated by these ARE ABCFs.

Abstract Efficient production of biochemicals and proteins in cell factories frequently benefits from a two-stage bioprocess in which growth and production phases are decoupled. Here we describe a novel growth switch based on the permanent removal of the origin of replication ( oriC ) from the Escherichia coli chromosome. Without oriC , cells cannot initiate a new round of replication and they stop growing while their metabolism remains active. Our system relies on a serine recombinase from bacteriophage phiC31 whose expression is controlled by the temperature-sensitive cI857 repressor from phage lambda. Reporter protein expression in switched cells continues after cessation of growth, leading to protein levels up to five times higher compared to non-switching cells. Switching induces a unique physiological state that is different from both normal exponential and stationary phases. Switched cells remain in this state even when not growing, retain their protein synthesis capacity, and do not induce proteins associated with the stationary phase. Our switcher technology is potentially useful for a range of products and applicable in many bacterial species for decoupling growth and production.

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.

Within the larger ABC superfamily of ATPases, ABCF family members eEF3 in Saccharomyces cerevisiae and EttA in Escherichia coli have been characterised as ribosomal translation factors. Several other ABCFs including VgaA and LsaA confer resistance to MLS-type ribosome-targeting antibiotics. However, the diversity of ABCF subfamilies, the relationships among subfamilies and the evolution of antibiotic resistance factors from other ABCFs have not been explored. To address this, we analysed the presence of ABCFs and their domain architectures in 4505 genomes across the tree of life. We find that there are 45 distinct subfamilies of ABCFs, which are widespread across bacterial and eukaryotic phyla, suggesting they were present in the last common ancestor of both. Surprisingly, currently known antibiotic resistance (ARE) ABCFs are not confined to a distinct lineage of the ABCF family tree. This suggests that either antibiotic resistance is a general feature of bacterial ABCFs, or it is relatively easy to evolve antibiotic resistance from other ABCF functions. While eEF3 was thought to be fungi-specific, we have found eEF3-like factors in a range of single celled eukaryotes, suggesting an ancient origin in this domain of life. Finally, we address ribosome association of the four E. coli ABCFs EttA, YbiT, YheS and Uup through polysome profiling combined with Western blot detection, as well as 35S-methionine pulse labeling assays upon expression of the ATPase deficient ABCF mutants.