Mitochondria have specialized ribosomes that have diverged from their bacterial and cytoplasmic counterparts. We have solved the structure of the yeast mitoribosomal large subunit using single-particle cryo-electron microscopy. The resolution of 3.2 angstroms enabled a nearly complete atomic model to be built de novo and refined, including 39 proteins, 13 of which are unique to mitochondria, as well as expansion segments of mitoribosomal RNA. The structure reveals a new exit tunnel path and architecture, unique elements of the E site, and a putative membrane docking site.

Highlights•Structure of a partial yeast 48S translation initiation complex at 4.0 Å resolution•A distorted initiator tRNA is trapped in the act of recognizing the start codon•The codon-anticodon duplex is stabilized by the N-terminal tail of eIF1A•eIF2α makes contacts with key nucleotides at the −2 and −3 positions of the mRNASummaryDuring eukaryotic translation initiation, initiator tRNA does not insert fully into the P decoding site on the 40S ribosomal subunit. This conformation (POUT) is compatible with scanning mRNA for the AUG start codon. Base pairing with AUG is thought to promote isomerization to a more stable conformation (PIN) that arrests scanning and promotes dissociation of eIF1 from the 40S subunit. Here, we present a cryoEM reconstruction of a yeast preinitiation complex at 4.0 Å resolution with initiator tRNA in the PIN state, prior to eIF1 release. The structure reveals stabilization of the codon-anticodon duplex by the N-terminal tail of eIF1A, changes in the structure of eIF1 likely instrumental in its subsequent release, and changes in the conformation of eIF2. The mRNA traverses the entire mRNA cleft and makes connections to the regulatory domain of eIF2α, eIF1A, and ribosomal elements that allow recognition of context nucleotides surrounding the AUG codon.Graphical abstract

During eukaryotic translational initiation, the 48S ribosomal pre-initiation complex (PIC) scans the 5’ untranslated region of mRNA until it encounters a start codon. We present a single particle electron cryomicroscopy (cryo-EM) reconstruction of a yeast 48S PIC in an open scanning-competent state in which eIF3b is observed bound on the 40S subunit interface. eIF3b is re-located with eIF3i from their solvent-interface locations observed in other PIC structures; however, eIF3i is not in contact with the 40S. Re-processing of micrographs of our previous 48S PIC in a closed state using currently available tools reveal a similar re-location of eIF3b and eIF3i from the solvent to subunit interface. Genetic analysis indicates that high fidelity initiation in vivo depends strongly on eIF3b interactions at the subunit interface that either promote the closed conformation of the PIC on start codon selection or facilitate subsequent relocation back to the solvent side of the 40S subunit.

Abstract During translational initiation in eukaryotes, the small ribosomal subunit forms a 48S preinitiation complex (PIC) with initiation factors. The 48S PIC binds to the 5’ end of mRNA and inspects long untranslated region (UTR) for the presence of the start codon (AUG). Accurate and high speed of scanning 5’ UTR and subsequent selection of the correct start codon are crucial for protein synthesis. However, the conformational state of 48S PIC required for inspecting every codon is not clearly understood. Whether the scanning or open conformation of 48S PIC can accurately select the cognate start codon over near/non-cognate codons, or this discrimination is carried out only in the scanning-arrested or closed conformation of 48S PIC. Here, using atomistic molecular dynamics (MD) simulations and free energy calculations, we show that the scanning conformation of 48S PIC can reject all but 4 of the 63 non-AUG codons. Among nine near-cognate codons with a single mismatch, only codons with a first position mismatch (GUG, CUG and UUG) or a pyrimidine mismatch at the second position (ACG) are not discriminated by scanning state of 48S PIC. In contrast, any mismatch in the third position is rejected. Simulations runs in absence of one or more eukaryotic initiation factors (eIF1, eIF1+eIF1A, eIF2ɑ or eIF2β) from the system show critical role of eIF1 and eIF2ɑ in start codon selection. The structural analysis indicates that tRNAi dynamics at the widened P site of 48S open state drives codon selection. Further, a stable codon: anticodon interaction prepares the PIC to transit to the closed state. Overall, we provide insights into the selection of start codon during scanning and how the open conformation of 48S PIC can scan long 5’ UTRs with accuracy and high speed without the requirement of sampling the closed state for every codon.

Abstract Eukaryotic initiation factor 4B (eIF4B) belongs to the eIF4 group of factors that help in mRNA recruitment to the ribosomal preinitiation complex (PIC) in all eukaryotic organisms. eIF4B stimulates the helicase activity of eIF4A and helps in the formation of the 48S PIC by facilitating mRNA recruitment. However, there is no clear understanding of the location of eIF4B on the 40S and how eIF4B helps in the recruitment of mRNAs. In this work using cryo-electron microscopy, we show that yeast eIF4B binds to the 40S ribosomal subunit at the mRNA entry channel making contacts with ribosomal proteins uS10, uS3, and eS10 and ribosomal rRNA helix h16. The yeast eIF4B position on the 40S overlaps with the RRM domain of eIF3g indicating that the binding of eIF4B may trigger the relocation of the eIF3 b-g-i module to the subunit interface. The 40S head is in partially open conformation that may facilitate the release of eIF3j and hence aid mRNA recruitment and scanning. The structural analysis of yeast eIF4B-bound ribosomal complex provides insight into possible events during mRNA recruitment.

Abstract Ribosomes from plants have unique plant-specific features that may aid in rapid gene expression and regulation in response to changing environmental conditions due to their sessile nature. Here, we present high-resolution cryo-electron microscopy structures of the 60S and 80S ribosomes from wheat, a monocot staple crop plant ( Triticum aestivum ). We compare wheat ribosome with closely related ribosomes from a dicot plant and other eukaryotes from yeast to humans. While plant ribosomes have unique plant-specific rRNA modification (Cm1847) in peptide exit tunnel, Zinc-finger motif in eL34 is absent and uL4 is extended making an exclusive interaction network. We note striking differences in eL15-Helix 11 (25S) interaction network, eL6-Expansion segment 7 assembly and certain rRNA chemical modifications between monocot and dicot ribosomes. Among eukaryotic ribosomes, we observe that rRNA modification (Gm75) in 5.8S rRNA is highly conserved and a base flipping (G1506) in peptide exit tunnel, and these features are likely involved in sensing nascent peptide. Finally, we discuss importance of universal conservation of three consecutive rRNA modifications in all ribosomes for their interaction with A-site aminoacyl-tRNA.

Abstract The SARS-Cov-2 non-structural protein 1 (Nsp1) contains an N-terminal domain and C-terminal helices connected by a short linker region. The C-terminal helices of Nsp1 (Nsp1-C-ter) from SARS-Cov-2 bind in the mRNA entry channel of the 40S ribosomal subunit and block the entry of mRNAs thereby shutting down host protein synthesis. Nsp1 suppresses the host immune function and is vital for viral replication. Hence, Nsp1 appears to be an attractive target for therapeutics. In this study, we have in silico screened Food and Drug Administration (FDA)-approved drugs against Nsp1-C-ter and find that montelukast sodium hydrate binds to Nsp1-C-ter with a binding affinity (K D ) of 10.8±0.2 μM in vitro and forms a stable complex with it in simulation runs with a binding energy of −76.71±8.95 kJ/mol. The drug also rescues the inhibitory effect of Nsp1 in host protein synthesis as demonstrated by the expression of firefly luciferase reporter gene in cells. Importantly, montelukast sodium hydrate demonstrates antiviral activity against SARS-CoV-2 with reduced viral replication in HEK cells expressing ACE2 and Vero-E6 cells. We therefore propose montelukast sodium hydrate may help in combatting SARS-CoV-2 infection.

Lesions and stable secondary structures in mRNA severely impact the translation efficiency, causing ribosome stalling and collisions. Prokaryotic ribosomal proteins Rps3, Rps4 and Rps5, located in the mRNA entry tunnel, form the mRNA helicase center and unwind stable mRNA secondary structures during translation. However, the mechanism underlying the detection of lesions on translating mRNA is unclear. We used Cryo-EM, biochemical assays, and knockdown experiments to investigate the apurinic/apyrimidinic (AP) endoribonuclease activity of bacterial ribosomes on AP-site containing mRNA. Our biochemical assays show that Rps3, specifically the 130RR131 motif, is important for recognizing and performing the AP-endoribonuclease activity. Furthermore, structural analysis revealed cleaved mRNA product in the 30S ribosome entry tunnel. Additionally, knockdown studies in Mycobacterium tuberculosis confirmed the protective role of Rps3 against oxidative and UV stress. Overall, our results show that prokaryotic Rps3 recognizes and processes AP-sites on mRNA via a novel mechanism that is distinct from eukaryotes.

In eukaryotic translation initiation AUG recognition of the mRNA requires accommodation of Met-tRNAi in a “PIN” state, which is antagonized by the factor eIF1. eIF5 is a GTPase activating protein (GAP) of eIF2 that additionally promotes stringent AUG selection, but the molecular basis of its dual function was unknown. We present a cryo-electron microscopy (cryo-EM) reconstruction of a 48S pre-initiation complex (PIC), at an overall resolution of 3.0 Å, featuring the N-terminal domain (NTD) of eIF5 bound to the 40S subunit at the location vacated by eIF1. eIF5 interacts with and allows a more accommodated orientation of Met-tRNAi. Substitutions of eIF5 residues involved in the eIF5-NTD/tRNAi interaction influenced initiation at near-cognate UUG codons in vivo, and the closed/open PIC conformation in vitro, consistent with direct stabilization of the codon:anticodon duplex by the wild-type eIF5-NTD. The present structure reveals the basis for a key role of eIF5 in start-codon selection.