Abstract Miro proteins are universally conserved mitochondrial calcium-binding GTPases that regulate a multitude of mitochondrial processes, including transport, clearance and lipid trafficking. Miro binds a variety of client proteins involved in these functions. How this binding is operated at the molecular level and whether and how it is important for mitochondrial health, however, remains unknown. Here, we show that known Miro clients all use a similar short motif to bind the same structural element: a highly conserved hydrophobic pocket in the calcium-binding domain of Miro. Using these Miro-binding motifs, we identified direct interactors de novo , including yeast Mdm34, and mammalian MTFR1/2/1L, VPS13D and Parkin. Given the shared binding mechanism and conservation across eukaryotes, we propose that Miro is a universal mitochondrial adaptor coordinating mitochondrial health. One-Sentence Summary Functionally diverse mitochondrial proteins interact with a conserved hydrophobic pocket on the calcium-binding Miro-GTPases.

Clearance of mitochondria following damage is critical for neuronal homeostasis. Here, we investigate the role of Miro proteins in mitochondrial turnover by the PINK1 / Parkin mitochondrial quality control system in vitro and in vivo. We find that upon mitochondrial damage, Miro is promiscuously ubiquitinated on multiple lysine residues. Combined knockout of both Miro1 and Miro2 or block of Miro ubiquitination and subsequent degradation, lead to slowed mitophagy. In cultured neurons, Miro1 knockout also leads to delayed Parkin translocation onto damaged mitochondria and reduced mitochondrial clearance. In vivo, postnatal knockout of Miro1 in hippocampus and cortex disrupts mitophagy and leads to a dramatic age dependent upregulation of the mitofusin mitochondrial fusion machinery. Fluorescence imaging of aged neurons conditionally knocked out for Miro1 and expressing mitoDendra to label mitochondria in vivo, reveals that Mfn1 / Mfn2 upregulation leads to enlarged and hyperfused somatic mitochondria. Our results provide new insights into the role of Miro in PINK1/Parkin dependent mitophagy and further suggest that disruption of this regulation may be implicated in human neurological pathology.

Peroxisomes are essential for a number of cellular functions, including reactive oxygen species metabolism, fatty acid β-oxidation and lipid biosynthesis. To ensure optimal functionality of peroxisome-dependent processes throughout the cell they must be trafficked; however, peroxisomal transport remains poorly characterised. Here we show that Miro1 and Miro2, outer mitochondrial membrane proteins essential for mitochondrial trafficking, are also localised to peroxisomes. Peroxisomal localisation of Miro1 is negatively regulated by its first GTPase domain and is mediated by an interaction through its transmembrane domain with the peroxisomal-membrane protein chaperone, Pex19. By using Miro1/2 double knockout mouse embryonic fibroblasts (MEFs) we find that the loss of Miro1/2 leads to a significant reduction in short-range microtubule-independent peroxisomal motility. Additionally, Miro regulates peroxisomal size and morphology. Our results contribute to the fundamental understanding of peroxisomal trafficking and morphology, supporting a complex crosstalk between peroxisomal and mitochondrial biology.

Mitochondrial Rho (Miro) GTPases localize to the outer mitochondrial membrane and are essential machinery for the regulated trafficking of mitochondria to defined subcellular locations. However, their sub-mitochondrial localization and relationship with other critical mitochondrial complexes remains poorly understood. Here, using super-resolution fluorescence microscopy, we report that Miro proteins form nanometer-sized clusters along the mitochondrial outer membrane in association with the Mitochondrial Contact Site and Cristae Organizing System (MICOS). Using knockout mouse embryonic fibroblasts (MEF) we show that Miro1 and Miro2 are required for normal mitochondrial cristae architecture and endoplasmic reticulum-mitochondria contacts sites (ERMCS). Further, we show that Miro couples MICOS to TRAK motor protein adaptors to ensure the concerted transport of the two mitochondrial membranes and the correct distribution of cristae on the mitochondrial membrane. The Miro nanoscale organization, association with MICOS complex and regulation of ERMCS reveal new levels of control of the Miro GTPases on mitochondrial functionality.