ABSTRACT Riboswitches are cis-regulatory RNA elements that regulate gene expression in response to ligand through the coordinated action of a ligand-binding aptamer domain (AD) and a downstream expression platform (EP). Previous studies of transcriptional riboswitches have uncovered diverse examples that utilize cotranscriptional strand displacement to mediate the switching mechanism. The coupling of transcription and translation in bacteria motivates the intriguing question as to whether translational riboswitches can utilize the same mechanistic features. Here we investigate this question by studying the Escherichia coli thiB thiamine pyrophosphate (TPP) riboswitch. Using cellular gene expression assays, we first confirmed that the riboswitch acts at the level of translational regulation. Deletion mutagenesis showed the importance of the AD-EP linker sequence for riboswitch function, which based on sequence complementarity with the AD P1 stem suggested the possibility of an intermediate structure reminiscent of transcriptional riboswitches that exploit strand displacement. Point mutation analysis of this intermediate structure, followed by designed changes to P1, supported a strand displacement mechanism for E. coli thiB . This work provides an important new example of diverse riboswitch AD-EP combinations that exploit this switching mechanism.

A central question in biology is how RNA sequence changes influence dynamic conformational changes during cotranscriptional folding. Here we investigated this question through the study of transcriptional fluoride riboswitches, non-coding RNAs that sense the fluoride anion through the coordinated folding and rearrangement of a pseudoknotted aptamer domain and a downstream intrinsic terminator expression platform. Using a combination of E. coli RNA polymerase in vitro transcription and cellular gene expression assays, we characterized the function of mesophilic and thermophilic fluoride riboswitch variants. We showed that only variants containing the mesophilic pseudoknot function at 37 C. We next systematically varied the pseudoknot sequence and found that a single wobble base pair is critical for function. Characterizing thermophilic variants at 65 C through Thermus aquaticus RNA polymerase in vitro transcription showed the importance of this wobble pair for function even at elevated temperatures. Finally, we performed all-atom molecular dynamics simulations which supported the experimental findings, visualized the RNA structure switching process, and provided insight into the important role of magnesium ions. Together these studies provide deeper insights into the role of riboswitch sequence in influencing folding and function that will be important for understanding of RNA-based gene regulation and for synthetic biology applications.