Abstract Protein synthesis efficiency is highly dependent on mRNA coding sequence. Furthermore, there is extensive evidence of a correlation between mRNA stability and protein expression level, though the mechanistic determinants remain unclear. Using yellow fluorescent protein (YFP) as a reporter gene, we herein demonstrate that adenosine (A) abundance in the first six codons is a critical determinant for achieving high protein synthesis in E. coli . Increasing A and/or decreasing guanosine (G) content in this region results in substantial increases in protein expression level both in vivo and in vitro that are correlated with steady-state mRNA concentration in vivo , and this effect is attributable to changes in the stability of the mRNA that are directly coupled to its translation efficiency. Increasing A content promotes mRNA incorporation into the functional 70S ribosomal initiation complex without altering its affinity for the 30S ribosomal subunit. These results support a model in which base composition in the first six codons modulates local mRNA folding energy to control the balance between productive translation initiation versus degradation of mRNAs bound to the 30S ribosomal subunit. Based on these findings, we developed a short N-terminal coding sequence that optimizes translation initiation efficiency for protein production in E. coli .

Abstract Having multiple rounds of translation of the same mRNA creates dynamic complexities along with opportunities for regulation related to ribosome pausing and stalling at specific sequences. Yet, mechanisms controlling these critical processes and the principles guiding their evolution remain poorly understood. Through genetic, genomic, physiological, and biochemical approaches, we demonstrate that regulating ribosome pausing at specific amino acid sequences can produce ~2-fold changes in protein expression levels which strongly influence cell growth and therefore evolutionary fitness. We demonstrate, both in vivo and in vitro, that the ABC-F protein EttA directly controls the translation of mRNAs coding for a subset of enzymes in the tricarboxylic acid (TCA) cycle and its glyoxylate shunt, which modulates growth in some chemical environments. EttA also modulates expression of specific proteins involved in metabolically related physiological and stress-response pathways. These regulatory activities are mediated by EttA rescuing ribosomes paused at specific patterns of negatively charged residues within the first 30 amino acids of nascent proteins. We thus establish a unique global regulatory paradigm based on sequence-specific modulation of translational pausing.

Having multiple rounds of translation of the same mRNA is a key feature of the Central Dogma that creates substantial dynamic complexities along with opportunities for regulation related to ribosome pausing and stalling at specific sequences. The molecular mechanisms controlling these critical processes and the principles guiding their evolution remain among the least understood facets of cellular physiology. We herein use a combination of genetic, genomic, physiological, and biochemical methods to show that regulation of ribosome pausing at specific amino acid sequences can produce ~2-fold changes in protein expression levels that have a strong influence on cell growth and therefore evolutionary fitness. We demonstrate, both in vivo and in vitro, that the ABCF protein EttA directly controls the translation of mRNAs coding for a subset of enzymes in the tricarboxylic acid (TCA) cycle and its glyoxylate shunt, which dramatically modulates growth in some chemical environments. It also modulates expression of specific proteins involved in metabolically related physiological and stress-response pathways. These regulatory activities are mediated by EttA rescuing ribosomes paused at specific patterns of negatively charged residues within the first 30 amino acids of nascent proteins. The previously established dependency of EttA9s activity on ADP:ATP ratio can modulate these effects based on cellular energy status. We thus establish a new global regulatory paradigm based on sequence-specific modulation of translational pausing.