ABSTRACT Rapid and accurate translation is essential in all organisms to produce properly folded and functional proteins. mRNA codons that define the protein coding sequences are decoded by tRNAs on the ribosome in the aminoacyl (A) binding site. The mRNA codon and the tRNA anticodon interaction is extensively monitored by the ribosome to ensure accuracy in tRNA selection. While other polymerases that synthesize DNA and RNA can correct for misincorporations, the ribosome is unable to correct mistakes. Instead, when a misincorporation occurs, the mismatched tRNA-mRNA pair moves to the peptidyl (P) site and from this location, causes a reduction in the fidelity at the A site, triggering post-peptidyl transfer quality control. This reduced fidelity allows for additional incorrect tRNAs to be accepted and for release factor 2 (RF2) to recognize sense codons, leading to hydrolysis of the aberrant peptide. Here, we present crystal structures of the ribosome containing a tRNA Lys in the P site with a U•U mismatch with the mRNA codon. We find that when the mismatch occurs in the second position of the P-site codon-anticodon interaction, the first nucleotide of the A-site codon flips from the mRNA path to engage highly conserved 16S rRNA nucleotide A1493 in the decoding center. We propose that this mRNA nucleotide mispositioning leads to reduced fidelity at the A site. Further, this state may provide an opportunity for RF2 to initiate premature termination before erroneous nascent chains disrupt the cellular proteome.

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)