Mitochondria are complex organelles whose dysfunction underlies a broad spectrum of human diseases. Identifying all of the proteins resident in this organelle and understanding how they integrate into pathways represent major challenges in cell biology. Toward this goal, we performed mass spectrometry, GFP tagging, and machine learning to create a mitochondrial compendium of 1098 genes and their protein expression across 14 mouse tissues. We link poorly characterized proteins in this inventory to known mitochondrial pathways by virtue of shared evolutionary history. Using this approach, we predict 19 proteins to be important for the function of complex I (CI) of the electron transport chain. We validate a subset of these predictions using RNAi, including C8orf38, which we further show harbors an inherited mutation in a lethal, infantile CI deficiency. Our results have important implications for understanding CI function and pathogenesis and, more generally, illustrate how our compendium can serve as a foundation for systematic investigations of mitochondria.

Upstream ORFs (uORFs) are mRNA elements defined by a start codon in the 5' UTR that is out-of-frame with the main coding sequence. Although uORFs are present in approximately half of human and mouse transcripts, no study has investigated their global impact on protein expression. Here, we report that uORFs correlate with significantly reduced protein expression of the downstream ORF, based on analysis of 11,649 matched mRNA and protein measurements from 4 published mammalian studies. Using reporter constructs to test 25 selected uORFs, we estimate that uORFs typically reduce protein expression by 30-80%, with a modest impact on mRNA levels. We additionally identify polymorphisms that alter uORF presence in 509 human genes. Finally, we report that 5 uORF-altering mutations, detected within genes previously linked to human diseases, dramatically silence expression of the downstream protein. Together, our results suggest that uORFs influence the protein expression of thousands of mammalian genes and that variation in these elements can influence human phenotype and disease.

Calorie restriction (CR) extends life span in diverse species. Mitochondria play a key role in CR adaptation; however, the molecular details remain elusive. We developed and applied a quantitative mass spectrometry method to probe the liver mitochondrial acetyl-proteome during CR versus control diet in mice that were wild-type or lacked the protein deacetylase SIRT3. Quantification of 3,285 acetylation sites—2,193 from mitochondrial proteins—rendered a comprehensive atlas of the acetyl-proteome and enabled global site-specific, relative acetyl occupancy measurements between all four experimental conditions. Bioinformatic and biochemical analyses provided additional support for the effects of specific acetylation on mitochondrial protein function. Our results (1) reveal widespread reprogramming of mitochondrial protein acetylation in response to CR and SIRT3, (2) identify three biochemically distinct classes of acetylation sites, and (3) provide evidence that SIRT3 is a prominent regulator in CR adaptation by coordinately deacetylating proteins involved in diverse pathways of metabolism and mitochondrial maintenance.

The existence of extracellular phosphoproteins has been acknowledged for over a century. However, research in this area has been undeveloped largely because the kinases that phosphorylate secreted proteins have escaped identification. Fam20C is a kinase that phosphorylates S-x-E/pS motifs on proteins in milk and in the extracellular matrix of bones and teeth. Here, we show that Fam20C generates the majority of the extracellular phosphoproteome. Using CRISPR/Cas9 genome editing, mass spectrometry, and biochemistry, we identify more than 100 secreted phosphoproteins as genuine Fam20C substrates. Further, we show that Fam20C exhibits broader substrate specificity than previously appreciated. Functional annotations of Fam20C substrates suggest roles for the kinase beyond biomineralization, including lipid homeostasis, wound healing, and cell migration and adhesion. Our results establish Fam20C as the major secretory pathway protein kinase and serve as a foundation for new areas of investigation into the role of secreted protein phosphorylation in human biology and disease.

Mitochondria are essential for numerous cellular processes, yet hundreds of their proteins lack robust functional annotation. To reveal functions for these proteins (termed MXPs), we assessed condition-specific protein-protein interactions for 50 select MXPs using affinity enrichment mass spectrometry. Our data connect MXPs to diverse mitochondrial processes, including multiple aspects of respiratory chain function. Building upon these observations, we validated C17orf89 as a complex I (CI) assembly factor. Disruption of C17orf89 markedly reduced CI activity, and its depletion is found in an unresolved case of CI deficiency. We likewise discovered that LYRM5 interacts with and deflavinates the electron-transferring flavoprotein that shuttles electrons to coenzyme Q (CoQ). Finally, we identified a dynamic human CoQ biosynthetic complex involving multiple MXPs whose topology we map using purified components. Collectively, our data lend mechanistic insight into respiratory chain-related activities and prioritize hundreds of additional interactions for further exploration of mitochondrial protein function.

Abstract Coenzyme Q (CoQ, ubiquinone) is a redox-active lipid essential for many core metabolic processes in mitochondria, including oxidative phosphorylation 1-3 . While lesser appreciated, CoQ also serves as a key membrane-embedded antioxidant throughout the cell 4 . However, how CoQ is mobilized from its site of synthesis on the inner mitochondrial membrane to other sites of action remains a longstanding mystery. Here, using a combination of yeast genetics, biochemical fractionation, and lipid profiling, we identify two highly conserved but poorly characterized mitochondrial proteins, Ypl109c (Cqd1) and Ylr253w (Cqd2), that reciprocally regulate this process. Loss of Cqd1 skews cellular CoQ distribution away from mitochondria, resulting in markedly enhanced resistance to oxidative stress caused by exogenous polyunsaturated fatty acids (PUFAs), whereas loss of Cqd2 promotes the opposite effects. The activities of both proteins rely on their atypical kinase/ATPase domains, which they share with Coq8—an essential auxiliary protein for CoQ biosynthesis. Overall, our results reveal new protein machinery central to CoQ trafficking in yeast and lend new insights into the broader interplay between mitochondrial and cellular processes.

SUMMARY Coenzyme Q (CoQ) is a redox active lipid required for mitochondrial oxidative phosphorylation (OxPhos). How CoQ biosynthesis is coordinated with the biogenesis of OxPhos protein complexes is unclear. Here, we show that the Saccharomyces cerevisiae RNA-binding protein (RBP) Puf3p directly regulates CoQ biosynthesis. To establish the mechanism for this regulation, we employed a transomic strategy to identify mRNAs that not only bind Puf3p, but also are regulated by Puf3p in vivo . The CoQ biosynthesis enzyme Coq5p is a critical Put3p target: Puf3p regulates the level of Coq5p and prevents its toxicity, thereby enabling efficient CoQ production. In parallel, Puf3p represses a specific set of proteins involved in mitochondrial protein import, translation, and OxPhos complex assembly — pathways essential to prime mitochondrial biogenesis. Our data reveal a mechanism for post-transcriptionally coordinating CoQ production with OxPhos biogenesis and, more broadly, demonstrate the power of transomics for defining genuine targets of RBPs. HIGHLIGHTS The RNA binding protein (RBP) Puf3p regulates coenzyme Q (CoQ) biosynthesis Transomic analysis of RNAs, proteins, lipids, and metabolites defines RBP targets Puf3p regulates the potentially toxic CoQ biosynthesis enzyme Coq5p Puf3p couples regulation of CoQ with a broader program for controlling mitochondria

Owing to its roles in cellular signal transduction, protein phosphorylation plays critical roles in myriad cell processes. That said, detecting and quantifying protein phosphorylation has remained a challenge. We describe the use of a novel mass spectrometer (Orbitrap Astral) coupled with data-independent acquisition (DIA) to achieve rapid and deep analysis of human and mouse phosphoproteomes. With this method we map approximately 30,000 unique human phosphorylation sites within a half-hour of data collection. The technology was benchmarked to other state-of-the-art MS platforms using both synthetic peptide standards and with EGF-stimulated HeLa cells. We applied this approach to generate a phosphoproteome multi-tissue atlas of the mouse. Altogether, we detected 81,120 unique phosphorylation sites within 12 hours of measurement. With this unique dataset, we examine the sequence, structural, and kinase specificity context of protein phosphorylation. Finally, we highlight the discovery potential of this resource with multiple examples of novel phosphorylation events relevant to mitochondrial and brain biology.

Owing to its roles in cellular signal transduction, protein phosphorylation plays critical roles in myriad cell processes. That said, detecting and quantifying protein phosphorylation has remained a challenge. We describe the use of a novel mass spectrometer (Orbitrap Astral) coupled with data-independent acquisition (DIA) to achieve rapid and deep analysis of human and mouse phosphoproteomes. With this method, we map approximately 30,000 unique human phosphorylation sites within a half-hour of data collection. The technology is benchmarked to other state-of-the-art MS platforms using both synthetic peptide standards and with EGF-stimulated HeLa cells. We apply this approach to generate a phosphoproteome multi-tissue atlas of the mouse. Altogether, we detect 81,120 unique phosphorylation sites within 12 hours of measurement. With this unique dataset, we examine the sequence, structural, and kinase specificity context of protein phosphorylation. Finally, we highlight the discovery potential of this resource with multiple examples of phosphorylation events relevant to mitochondrial and brain biology.

Pptc7 is a resident mitochondrial phosphatase essential for maintaining proper mitochondrial content and function. Newborn mice lacking Pptc7 exhibit aberrant mitochondrial protein phosphorylation, suffer from a range of metabolic defects, and fail to survive beyond one day after birth. Using an inducible knockout model, we reveal that loss of Pptc7 in adult mice causes marked reduction in mitochondrial mass concomitant with elevation of the mitophagy receptors Bnip3 and Nix. Consistently, Pptc7-/- mouse embryonic fibroblasts (MEFs) exhibit a major increase in mitophagy that is reversed upon deletion of these receptors. Our phosphoproteomics analyses reveal a common set of elevated phosphosites between perinatal tissues, adult liver, and MEFs-including multiple sites on Bnip3 and Nix. These data suggest that Pptc7 deletion causes mitochondrial dysfunction via dysregulation of several metabolic pathways and that Pptc7 may directly regulate mitophagy receptor function or stability. Overall, our work reveals a significant role for Pptc7 in the mitophagic response and furthers the growing notion that management of mitochondrial protein phosphorylation is essential for ensuring proper organelle content and function.