Analysis methods based on simulations and optimization have been previously developed to estimate relative translation rates from next-generation sequencing data. Translation involves molecules and chemical reactions; hence, bioinformatics methods consistent with the laws of chemistry and physics are more likely to produce accurate results. Here, we derive simple equations based on chemical kinetic principles to measure the translation-initiation rate, transcriptome-wide elongation rate, and individual codon translation rates from ribosome profiling experiments. Our methods reproduce the known rates from ribosome profiles generated from detailed simulations of translation. Applying our methods to data from S. cerevisiae and mouse embryonic stem cells we find that the extracted rates reproduce expected correlations with various molecular properties. A codon can exhibit up to 26-fold variability in its translation rate depending upon its context within a transcript. This broad distribution means that the average translation rate of a codon is not representative of the rate at which most instances of that codon are translated. We also find that mouse embryonic stem cells have a global translation speed of 5.2 AA/s, is similar to what has been previous reported using another analysis method. This large variability in translation rates suggests that translational regulation might be used by cells to a greater degree than previously thought.

N-terminal (Nt)-acetylation is a highly prevalent co-translational protein modification in eukaryotes, catalyzed by at least five Nt-acetyltransferases (Nat) with differing specificities. Nt-acetylation has been implicated in protein quality control but its broad biological significance remains elusive. We investigated the roles of the two major Nats of S. cerevisiae , NatA and NatB, by performing transcriptome, translatome and proteome profiling of natA Δ and natB Δ mutants. Our results do not support a general role of Nt-acetylation in protein degradation but reveal an unexpected range of Nat-specific phenotypes. NatA is implicated in systemic adaptation control, as natA Δ mutants display altered expression of transposons, sub-telomeric genes, pheromone response genes and nuclear genes encoding mitochondrial ribosomal proteins. NatB predominantly affects protein folding, as natB Δ mutants accumulate protein aggregates, induce stress responses and display reduced fitness in absence of the ribosome-associated chaperone Ssb. These phenotypic differences indicate that controlling Nat activities may serve to elicit distinct cellular responses.

Variation in translation-elongation kinetics along a transcript's coding sequence plays an important role in the maintenance of cellular protein homeostasis by regulating co-translational protein folding, localization, and maturation. Translation-elongation speed is influenced by molecular factors within mRNA and protein sequences. For example, when proline is present in the ribosome's P- or A-site translation slows down, but the effect of other pairs of amino acids, in the context of all 400 possible pairs, has not been characterized. Here, we study Saccharomyces cerevisiae using a combination of mutational experiments, bioinformatics, and evolutionary analyses, and show that many different pairs of amino acids and their associated tRNA molecules predictably and causally encode translation rate information when these pairs are present in the A- and P-sites of the ribosome independent of other factors known to influence translation speed, including mRNA structure, wobble base pairing, tripeptide motifs, positively charged upstream nascent chain residues, and cognate tRNA concentration. The fast-translating pairs of amino acids that we identify are enriched seven-fold relative to the slow-translating pairs across Saccharomyces cerevisiae 's proteome, while the slow-translating pairs are enriched downstream of domain boundaries. Thus, the chemical identity of amino acid pairs contributes to variability in translation rates, elongation kinetics are causally encoded in the primary structure of proteins, and signatures of evolutionary selection indicate their potential role in co-translational processes.### Competing Interest StatementThe authors have declared no competing interest.