Degeneracy in the genetic code, which enables a single protein to be encoded by a multitude of synonymous gene sequences, has an important role in regulating protein expression, but substantial uncertainty exists concerning the details of this phenomenon. Here we analyse the sequence features influencing protein expression levels in 6,348 experiments using bacteriophage T7 polymerase to synthesize messenger RNA in Escherichia coli. Logistic regression yields a new codon-influence metric that correlates only weakly with genomic codon-usage frequency, but strongly with global physiological protein concentrations and also mRNA concentrations and lifetimes in vivo. Overall, the codon content influences protein expression more strongly than mRNA-folding parameters, although the latter dominate in the initial ~16 codons. Genes redesigned based on our analyses are transcribed with unaltered efficiency but translated with higher efficiency in vitro. The less efficiently translated native sequences show greatly reduced mRNA levels in vivo. Our results suggest that codon content modulates a kinetic competition between protein elongation and mRNA degradation that is a central feature of the physiology and also possibly the regulation of translation in E. coli.

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 .