The complete nucleotide sequence of the 16S RNA gene from the rrnB cistron of Escherichia coli has been determined by using three rapid DNA sequencing methods. Nearly all of the structure has been confirmed by two to six independent sequence determinations on both DNA strands. The length of the 16S rRNA chain inferred from the DNA sequence is 1541 nucleotides, in close agreement with previous estimates. We note discrepancies between this sequence and the most recent version of it reported from direct RNA sequencing [Ehresmann, C., Stiegler, P., Carbon, P. & Ebel, J.P. (1977) FEBS Lett. 84, 337-341]. A few of these may be explained by heterogeneity among 16S rRNA sequences from different cistrons. No nucleotide sequences were found in the 16S rRNA gene that cannot be reconciled with RNase digestion products of mature 16S rRNA.

We describe the crystal structure of the complete Thermus thermophilus 70S ribosome containing bound messenger RNA and transfer RNAs (tRNAs) at 5.5 angstrom resolution. All of the 16S, 23S, and 5S ribosomal RNA (rRNA) chains, the A-, P-, and E-site tRNAs, and most of the ribosomal proteins can be fitted to the electron density map. The core of the interface between the 30S small subunit and the 50S large subunit, where the tRNA substrates are bound, is dominated by RNA, with proteins located mainly at the periphery, consistent with ribosomal function being based on rRNA. In each of the three tRNA binding sites, the ribosome contacts all of the major elements of tRNA, providing an explanation for the conservation of tRNA structure. The tRNAs are closely juxtaposed with the intersubunit bridges, in a way that suggests coupling of the 20 to 50 angstrom movements associated with tRNA translocation with intersubunit movement.

The primary structure of the Escherichia coli rrnB ribosomal RNA operon has been determined. The sequence contains the genes for 16 S, 23 S and 5 S ribosomal RNAs, the secondary prophage site for phage λ, the transcriptional initiation and termination signals, as well as the spacers separating the various genetic elements. The entire sequence, ultimately derived from a 7508 base-pair BamHI fragment from the transducing phage λrifd18, is compared to homologous regions from other E. coli ribosomal RNA operons so far available. The main structural features of rRNA promoters and processing signals are shown to be conserved; rrnB has, however, two potential transcriptional termination sites, in contrast to rrnC. Comparison of the sequence of λrifd18 with sequences from other isolates of the rrB operon provides direct evidence for structural rearrangements within rRNA operons. Finally, two potential open reading frames for hitherto uncharacterized polypeptide chains have been found in the sequence closely flanking the rrnB operon.

Peptidyl transferase, the ribosomal activity responsible for catalysis of peptide bond formation, is resistant to vigorous procedures that are conventionally employed to remove proteins from protein-nucleic acid complexes. When the "fragment reaction" was used as a model assay for peptide bond formation, Escherichia coli ribosomes or 50 S subunits retained 20 to 40 percent activity after extensive treatment with proteinase K and SDS, but lost activity after extraction with phenol or exposure to EDTA. Ribosomes from the thermophilic eubacterium Thermus aquaticus remained more than 80 percent active after treatment with proteinase K and SDS, which was followed by vigorous extraction with phenol. This activity is attributable to peptidyl transferase, as judged by specific inhibition by the peptidyl transferase-specific antibiotics chloramphenicol and carbomycin. In contrast, activity is abolished by treatment with ribonuclease T1. These findings support the possibility that 23 S ribosomal RNA participates in the peptidyl transferase function.

Using X-ray crystallography, we have directly observed the path of mRNA in the 70S ribosome in Fourier difference maps at 7 Å resolution. About 30 nucleotides of the mRNA are wrapped in a groove that encircles the neck of the 30S subunit. The Shine-Dalgarno helix is bound in a large cleft between the head and the back of the platform. At the interface, only about eight nucleotides (−1 to +7), centered on the junction between the A and P codons, are exposed, and bond almost exclusively to 16S rRNA. The mRNA enters the ribosome around position +13 to +15, the location of downstream pseudoknots that stimulate −1 translational frame shifting.

Structures of 70S ribosome complexes containing messenger RNA and transfer RNA (tRNA), or tRNA analogs, have been solved by x-ray crystallography at up to 7.8 angstrom resolution. Many details of the interactions between tRNA and the ribosome, and of the packing arrangements of ribosomal RNA (rRNA) helices in and between the ribosomal subunits, can be seen. Numerous contacts are made between the 30S subunit and the P-tRNA anticodon stem-loop; in contrast, the anticodon region of A-tRNA is much more exposed. A complex network of molecular interactions suggestive of a functional relay is centered around the long penultimate stem of 16S rRNA at the subunit interface, including interactions involving the "switch" helix and decoding site of 16S rRNA, and RNA bridges from the 50S subunit.

We have investigated in detail the higher-order structure of 16 S ribosomal RNA, both in its naked form and in 30 S ribosomal subunits. Each base in the 16 S rRNA chain has been probed using kethoxal (which reacts with guanine at N1 and N2), dimethylsulfate (which reacts with adenine at N1 and cytosine at N3) and 1-cyclohexyl-3-(2-morpholinoethyl)-carbodiimide metho-p-toluenesulfonate (which reacts with uracil at N3 and guanine at N1). The sites of reaction were identified by primer extension with reverse transcriptase using synthetic oligodeoxynucleotide primers. These results provide a detailed and rigorous experimental test of a model for 16 S rRNA secondary structure, which was derived mainly from comparative sequence analysis. Our data also provide information relevant to tertiary and quaternary structure of 16 S rRNA. Data obtained with naked 16 S rRNA show reasonably close agreement with the proposed model, and data obtained with 30 S subunits show nearly complete agreement. Apart from an apparent overall "tightening" of the structure (in which many weakly reactive bases become unreactive), assembly of the proteins with 16 S rRNA to form 30 S subunits brings about numerous local structural rearrangements, resulting in specific enhancements as well as protections. In many instances, the ribosomal proteins appear to "tune" the 16 S rRNA structure to bring it into accordance with the phylogenetically predicted model, even though the RNA on its own often seems to prefer a different structure in certain regions of the molecule. Extensive protection of conserved, unpaired adenines upon formation of 30 S subunits suggests that they play a special role in the assembly process, possibly providing signals for protein recognition.

Our understanding of the mechanism of protein synthesis has undergone rapid progress in recent years as a result of low-resolution X-ray and cryo-EM structures of ribosome functional complexes and high-resolution structures of ribosomal subunits and vacant ribosomes. Here, we present the crystal structure of the Thermus thermophilus 70S ribosome containing a model mRNA and two tRNAs at 3.7 A resolution. Many structural details of the interactions between the ribosome, tRNA, and mRNA in the P and E sites and the ways in which tRNA structure is distorted by its interactions with the ribosome are seen. Differences between the conformations of vacant and tRNA-bound 70S ribosomes suggest an induced fit of the ribosome structure in response to tRNA binding, including significant changes in the peptidyl-transferase catalytic site.