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.

Translation initiation is a highly regulated, multi-step process which is critical for efficient and accurate protein synthesis. In bacteria, initiation begins when mRNA, initiation factors, and a dedicated initiator fMet-tRNAfMet bind the small (30S) ribosomal subunit. Specific binding of fMet-tRNAfMet in the peptidyl (P) site is mediated by the inspection of the fMet moiety by initiation factor IF2 and of three conserved G-C base pairs in the tRNA anticodon stem by the 30S head domain. Tandem A-minor interactions form between 16S ribosomal RNA nucleotides A1339 and G1338 and tRNA base pairs G30-C40 and G29-C41, respectively. Swapping the G30-C40 pair of tRNAfMet with C-G reduces discrimination against the noncanonical start codon CUG in vitro, suggesting crosstalk between gripping of the anticodon stem and recognition of the start codon. Here, we solved electron cryomicroscopy structures of E. coli 70S initiation complexes containing an fMet-tRNAfMet G30-C40 variant paired to noncanonical CUG start codon, in the presence or absence of IF2 and the non-hydrolyzable GTP analog GDPCP, alongside structures of 70S initiation complexes containing this tRNAfMet variant paired to the canonical bacterial start codons AUG, GUG, and UUG. We find that the M1 mutation weakens A-minor interactions between tRNAfMet and 16S nucleotides A1339 and G1338, with IF2 strengthening the interaction of G1338 with the tRNA minor groove. These structures suggest how even slight changes to the recognition of the fMet-tRNAfMet anticodon stem by the ribosome can impact start codon selection.