Coenzyme Q (CoQ) is a redox lipid that fulfills critical functions in cellular bioenergetics and homeostasis. CoQ is synthesized by a multi-step pathway that involves several COQ proteins. Two steps of the eukaryotic pathway, the decarboxylation and hydroxylation of position C1, have remained uncharacterized. Here, we provide evidence that these two reactions occur in a single oxidative decarboxylation step catalyzed by COQ4. We demonstrate that COQ4 complements an Escherichia coli strain deficient for C1 decarboxylation and hydroxylation and that COQ4 displays oxidative decarboxylation activity in the non-CoQ producer Corynebacterium glutamicum. Overall, our results substantiate that COQ4 contributes to CoQ biosynthesis, not only via its previously proposed structural role, but also via oxidative decarboxylation of CoQ precursors. These findings fill a major gap in the knowledge of eukaryotic CoQ biosynthesis, and shed new light on the pathophysiology of human primary CoQ deficiency due to COQ4 mutations.

Abstract Coenzyme Q (CoQ, ubiquinone) is an essential cellular cofactor comprised of a redox-active quinone head group and a long hydrophobic polyisoprene tail. How mitochondria access cytosolic isoprenoids for CoQ biosynthesis is a longstanding mystery. Here, via a combination of genetic screening, metabolic tracing, and targeted uptake assays, we reveal that Hem25p—a mitochondrial glycine transporter required for heme biosynthesis—doubles as an isopentenyl pyrophosphate (IPP) transporter in Saccharomyces cerevisiae . Mitochondria lacking Hem25p fail to efficiently incorporate IPP into early CoQ precursors, leading to loss of CoQ and turnover of CoQ biosynthetic proteins. Expression of Hem25p in Escherichia coli enables robust IPP uptake demonstrating that Hem25p is sufficient for IPP transport. Collectively, our work reveals that Hem25p drives the bulk of mitochondrial isoprenoid transport for CoQ biosynthesis in yeast.

ABSTRACT Background Statins are the drugs most commonly used for lowering plasma low-density lipoprotein (LDL) cholesterol levels and reducing cardiovascular disease risk. Although generally well tolerated, statins can induce myopathy, a major cause of non-adherence to treatment. Impaired mitochondrial function has been implicated as a cause of statin-induced myopathy, but the underlying mechanism remains unclear. We have shown that simvastatin downregulates transcription of TOMM40 and TOMM22 , genes that encode major subunits of the translocase of outer mitochondrial membrane (TOM) complex which is responsible for importing nuclear-encoded proteins and maintaining mitochondrial function. We therefore investigated the role of TOMM40 and TOMM22 in mediating statin effects on mitochondrial function, dynamics, and mitophagy. Methods Cellular and biochemical assays and transmission electron microscopy were used to investigate effects of simvastatin and TOMM40 and TOMM22 expression on measures of mitochondrial function and dynamics in C2C12 and primary human skeletal cell myotubes. Results Knockdown of TOMM40 and TOMM22 in skeletal cell myotubes impaired mitochondrial oxidative function, increased production of mitochondrial superoxide, reduced mitochondrial cholesterol and CoQ levels, disrupted mitochondrial dynamics and morphology, and increased mitophagy, with similar effects resulting from simvastatin treatment. Overexpression of TOMM40 and TOMM22 in simvastatin-treated muscle cells rescued statin effects on mitochondrial dynamics, but not on mitochondrial function or cholesterol and CoQ levels. Moreover, overexpression of these genes resulted in an increase in number and density of cellular mitochondria. Conclusion These results confirm that TOMM40 and TOMM22 are central in regulating mitochondrial homeostasis and demonstrate that downregulation of these genes by statin treatment mediates disruption of mitochondrial dynamics, morphology, and mitophagy, effects that may contribute to statin-induced myopathy. GRAPHICAL ABSTRACT

Abstract Inter-organellar communication is critical for cellular metabolic homeostasis. One of the most abundant inter-organellar interactions are those at the endoplasmic reticulum and mitochondria contact sites (ERMCS). However, a detailed understanding of the mechanisms governing ERMCS regulation and their roles in cellular metabolism are limited by a lack of tools that permit temporal induction and reversal. Through unbiased screening approaches, we identified fedratinib, an FDA-approved drug, that dramatically increases ERMCS abundance by inhibiting the epigenetic modifier BRD4. Fedratinib rapidly and reversibly modulates mitochondrial and ER morphology and alters metabolic homeostasis. Moreover, ERMCS modulation depends on mitochondria electron transport chain complex III function. Comparison of fedratinib activity to other reported inducers of ERMCS revealed common mechanisms of induction and function, providing clarity and union to a growing body of experimental observations. In total, our results uncovered a novel epigenetic signaling pathway and an endogenous metabolic regulator that connects ERMCS and cellular metabolism.

A biochemical deficiency of mitochondrial complex I (CI) underlies ~30% of cases of primary mitochondrial disease, yet the inventory of molecular machinery required for CI assembly remains incomplete. We previously characterised patients with isolated CI deficiency caused by segregating variants in RTN4IP1, encoding a mitochondrial NAD(P)H oxidoreductase. Here, we demonstrate that RTN4IP1 deficiency causes a CI assembly defect in both patient fibroblasts and knockout cells, and report that RTN4IP1 is a bona fide CI assembly factor. Complexome profiling revealed accumulation of unincorporated ND5-module and impaired N-module production. RTN4IP1 patient fibroblasts also exhibited defective coenzyme Q biosynthesis, substantiating this emerging function of RTN4IP1. Thus, our data reveal RTN4IP1 plays an essential role in both the terminal stages of CI assembly and in coenzyme Q metabolism, and that pathogenic RTN4IP1 variants impair both functions in patients with mitochondrial disease.

ABSTRACT Chalcone isomerases (CHIs) have well-established roles in the biosynthesis of plant flavonoid metabolites. Saccharomyces cerevisiae possesses two predicted CHI-like proteins, Aim18p (encoded by YHR198C) and Aim46p (YHR199C), but it lacks other enzymes of the flavonoid pathway, suggesting that Aim18p and Aim46p employ the CHI fold for distinct purposes. Here, we demonstrate that Aim18p and Aim46p reside on the mitochondrial inner membrane and adopt CHI folds, but they lack select active site residues and possess an extra fungal-specific loop. Consistent with these differences, Aim18p and Aim46p lack chalcone isomerase activity and also the fatty acid-binding capabilities of other CHI-like proteins, but instead bind heme. We further show that diverse fungal homologs also bind heme and that Aim18p and Aim46p possess structural homology to a bacterial hemoprotein. Collectively, our work reveals a distinct function and cellular localization for two CHI-like proteins, introduces a new variation of a hemoprotein fold, and suggests that ancestral CHI-like proteins were hemoproteins.