Oxidative phosphorylation (OXPHOS) is a vital process for energy generation, and is carried out by complexes within the mitochondria. OXPHOS complexes pose a unique challenge for cells because their subunits are encoded on both the nuclear and the mitochondrial genomes. Genomic approaches designed to study nuclear/cytosolic and bacterial gene expression have not been broadly applied to mitochondria, so the co-regulation of OXPHOS genes remains largely unexplored. Here we monitor mitochondrial and nuclear gene expression in Saccharomyces cerevisiae during mitochondrial biogenesis, when OXPHOS complexes are synthesized. We show that nuclear- and mitochondrial-encoded OXPHOS transcript levels do not increase concordantly. Instead, mitochondrial and cytosolic translation are rapidly, dynamically and synchronously regulated. Furthermore, cytosolic translation processes control mitochondrial translation unidirectionally. Thus, the nuclear genome coordinates mitochondrial and cytosolic translation to orchestrate the timely synthesis of OXPHOS complexes, representing an unappreciated regulatory layer shaping the mitochondrial proteome. Our whole-cell genomic profiling approach establishes a foundation for studies of global gene regulation in mitochondria. The genes encoding the subunits of oxidative phosphorylation complexes are split between the nuclear and mitochondrial genomes, but their translation is synchronized by signalling from the cytosol to the mitochondria. The OXPHOS (oxidative phosphorylation) complexes within the mitochondrial inner membrane generate the large majority of the cell's energy through the synthesis of ATP from ADP and inorganic phosphate during the oxidation of NADH by molecular oxygen. As the OXPOS complex contains subunits encoded by both the nuclear and the mitochondrial genomes, it has been widely assumed that there must be communication between the two compartments to coordinate gene expression. Stirling Churchman and colleagues have now characterized synthesis of the OXPHOS subunits. They find that nuclear and mitochondrial transcription programs are independently regulated under the direction of the nuclear genome. Regulation occurs not at the level of transcription, but rather in terms of translation, with mitochondrial translation regulated through the cytosolic ribosomes.

In mammalian mitochondria, mRNAs are co-transcriptionally stabilized by the protein factor LRPPRC. Here, we characterize LRPPRC as an mRNA delivery factor and report its cryo-EM structure in complex with SLIRP, mRNA and the mitoribosome. The structure shows that LRPPRC associates with the mitoribosomal proteins mS39 and the N-terminus of mS31 through recognition of the LRPPRC helical repeats. Together, the proteins form a corridor for hand-off the mRNA. The mRNA is directly bound to SLIRP, which also has a stabilizing function for LRPPRC. To delineate the effect of LRPPRC on individual mitochondrial transcripts, we used an RNAseq approach, metabolic labeling and mitoribosome profiling that showed a major influence on ND1, ND2, ATP6, COX1, COX2, and COX3 mRNA translation efficiency. Our data suggest that LRPPRC-SLIRP acts in recruitment of mitochondrial mRNAs to modulate their translation. Collectively, the data define LRPPRC-SLIRP as a regulator of the mitochondrial gene expression system.

Abstract In mammalian mitochondria, mRNAs are cotranscriptionally stabilized by the protein factor LRPPRC (leucine-rich pentatricopeptide repeat-containing protein). Here, we characterize LRPPRC as an mRNA delivery factor and report its cryo-electron microscopy structure in complex with SLIRP (SRA stem-loop-interacting RNA-binding protein), mRNA and the mitoribosome. The structure shows that LRPPRC associates with the mitoribosomal proteins mS39 and the N terminus of mS31 through recognition of the LRPPRC helical repeats. Together, the proteins form a corridor for handoff of the mRNA. The mRNA is directly bound to SLIRP, which also has a stabilizing function for LRPPRC. To delineate the effect of LRPPRC on individual mitochondrial transcripts, we used RNA sequencing, metabolic labeling and mitoribosome profiling, which showed a transcript-specific influence on mRNA translation efficiency, with cyclooxygenase 1 and 2 translation being the most affected. Our data suggest that LRPPRC–SLIRP acts in recruitment of mitochondrial mRNAs to modulate their translation. Collectively, the data define LRPPRC–SLIRP as a regulator of the mitochondrial gene expression system.

In the cell, proteins are synthesized from N- to C-terminus and begin to fold during translation. Co-translational folding mechanisms are therefore linked to elongation rate, which varies as a function of synonymous codon usage. However, synonymous codon substitutions can affect many distinct cellular processes, which has complicated attempts to deconvolve the extent to which synonymous codon usage can promote or frustrate proper protein folding in vivo . Although previous studies have shown that some synonymous changes can lead to different final structures, other substitutions will likely be more subtle, perturbing predominantly the protein folding pathway without radically altering the final structure. Here we show that synonymous codon substitutions encoding a single essential enzyme lead to dramatically slower cell growth. These mutations do not prevent active enzyme formation; instead, they predominantly alter the protein folding mechanism, leading to enhanced degradation in vivo . These results support a model where synonymous codon substitutions can impair cell fitness by significantly perturbing co-translational protein folding mechanisms, despite the chaperoning provided by the cellular protein homeostasis network.Significance Many proteins that are incapable of refolding in vitro nevertheless fold efficiently to their native state in the cell. This suggests that more information than the amino acid sequence is required to properly fold these proteins. Here we show that synonymous mRNA mutations can alter a protein folding mechanism in vivo , leading to changes in cellular fitness. This work demonstrates that synonymous codon selection can play an important role in supporting efficient protein production in vivo .