The problem with proline – regulation of ribosome stalling by translation factors and codon choice

Sieber, Alina (2025): The problem with proline – regulation of ribosome stalling by translation factors and codon choice. Dissertation, LMU München: Fakultät für Biologie

Abstract

Die bakterielle Translation ist ein essenzieller und hochkomplexer Prozess, der von zahlreichen Faktoren beeinflusst wird. Prolinreiche Sequenzen stellen hierbei eine besondere Herausforderung dar, da Proline aufgrund ihrer Ringstruktur nur langsam in Polypeptidketten eingebaut werden, und somit einen Ribosomenarrest auslösen können. Dennoch sind Polyprolinmotive aufgrund ihrer strukturellen und funktionellen Bedeutung zentrale Elemente für die Proteinarchitektur. Um die Translation von Polyprolinsequenzen zu ermöglichen, haben Bakterien spezialisierte Strategien entwickelt, die die Translationseffizienz regulieren und die Anpassungsfähigkeit an zelluläre Anforderungen verbessern. Nicht alle dieser Mechanismen sind bisher vollständig bekannt und um die Prozesse der Translation gezielt optimieren zu können, ist ein tieferes Verständnis dieser Systeme von entscheidender Bedeutung. Zunächst konnten mithilfe von bioinformatischen Analysen und eines Lumineszenz-Reportersystem, das Ribosomenpausen in lebenden Zellen misst, signifikante Unterschiede in der Codonnutzung bei Prolinen in Escherichia coli aufgedeckt werden. Dabei beeinflusst die Wahl der Prolincodons und die Verfügbarkeit spezifischer tRNAs maßgeblich die Effizienz des Einbaus von Prolinen. Die selektive Verwendung verschiedener Codons optimiert somit nicht nur die Translationsseffizienz, sondern dient auch als Mechanismus zur flexiblen Anpassung der Proteinkopienzahl an die Bedürfnisse der Zelle. Darüber hinaus konnte EfpL als Paralog des Elongationsfaktors EF-P, der die Translation von Polyprolinsequenzen erleichtert, charakterisiert werden. Biochemische und strukturelle Analysen zeigten, dass EfpL eine Schlüsselfunktion bei der Rettung von Ribosomen hat, die an Prolinreichen Motiven feststecken. Die Koexistenz von EF-P und EfpL kann als evolutionärer Mechanismus gesehen werden, der das Wachstum beschleunigt und den Umgang mit Translationsstress optimiert. Ribosomenprofilanalysen enthüllten, dass sowohl EF-P als auch EfpL neben Polyprolinmotiven auch andere Sequenzen erkennen können, die zu einem Ribosomenarrest beitragen. Interessanterweise führte die Überexpression von efp und efpL zu Translationspausen an bestimmten Motiven, was auf eine komplexe Regulierung dieser Faktoren hindeutet. Hervorzuheben ist, dass EfpL den metabolischen Zustand der Zelle durch Lysinacylierungen erfassen kann, wodurch eine präzise Anpassung der Translation an die zellulären Bedingungen ermöglicht wird. Diese Erkenntnisse tragen zu einem besseren Verständnis der Regulation von Ribosomenarrestsituationen durch spezifische Elongationsfaktoren bei und liefern wichtige Einblicke in die Komplexität der bakteriellen Translation und die evolutionären Mechanismen.

Abstract

Bacterial translation is an essential and highly complex process influenced by numerous factors. Proline-rich sequences pose a particular challenge, as the ring structure of proline slows its incorporation into polypeptide chains, often resulting in ribosome stalling. Despite these challenges, polyproline motifs are crucial for protein architecture due to their structural and functional significance. To enable the translation of polyproline sequences, bacteria have evolved specialized strategies that regulate translation efficiency and enhance adaptability to cellular demands. However, not all of these mechanisms are fully understood, and to optimize translation processes effectively, a deeper understanding of these systems is critical. First, significant differences in proline codon usage in Escherichia coli were identified using bioinformatic analyses and a luminescence reporter system to measure ribosome pausing in living cells. The choice of proline codons and the availability of specific tRNAs significantly influence the efficiency of proline incorporation. The selective use of different codons not only optimizes translation efficiency but also functions as a mechanism to flexibly adjust protein copy numbers to the needs of the cell. Additionally, EfpL was characterized as a paralog of the elongation factor EF-P, which facilitates the translation of polyproline sequences. Biochemical and structural analyses revealed that EfpL plays a key role in rescuing ribosomes stalled at proline-rich motifs. The coexistence of EF-P and EfpL represents an evolutionary mechanism that accelerates growth and improves the response to translational stress. Ribosome profiling analyses revealed that EF-P and EfpL can recognize other sequences in addition to polyproline motifs that induce ribosome stalling. Interestingly, overexpression of efp and efpL was found to cause translation pauses at specific motifs, indicating a complex regulation of these factors. Notably, EfpL can sense the metabolic state of the cell through lysine acylations, enabling precise adjustment of translation to cellular conditions. These findings contribute to a better understanding of ribosome stalling and its resolution by specific factors, providing important insights into the complexity of bacterial translation and the evolutionary mechanisms that have led to the development of efficient ribosome rescue processes.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: bacterial translation, ribosome stalling, proline, translation factors
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
• Fakultäten: Fakultät für Biologie
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 28. Mai 2025
• 1. Bericht­erstatter:in: Lassak, Jürgen