Synapses are the regions of the neuron that enable the transmission and propagation of action potentials on the cost of high energy consumption and elevated demand for mitochondrial ATP production. The rapid changes in local energetic requirements at dendritic spines imply the role of mitochondria in the maintenance of their homeostasis. Using global proteomic analysis supported with complementary experimental approaches, we show that an important pool of mitochondrial proteins is locally produced at the synapse indicating that mitochondrial biogenesis takes place locally to maintain the pool of functional mitochondria in axons and dendrites. Furthermore, we show that stimulation of synaptoneurosomes induces the local synthesis of mitochondrial proteins that are transported to the mitochondria and incorporated into the protein supercomplexes of the respiratory chain.

Nuclear and mitochondrial genome mutations lead to various mitochondrial diseases, many of which affect the mitochondrial respiratory chain. The proteome of the intermembrane space (IMS) of mitochondria consists of several important assembly factors that participate in the biogenesis of mitochondrial respiratory chain complexes. The present study comprehensively analyzed a recently identified IMS protein, RESpiratory chain Assembly 1 (RESA1) factor, or cytochrome c oxidase assembly factor 7 (COA7) that is associated with a rare form of mitochondrial leukoencephalopathy and complex IV deficiency. We found that RESA1 requires the mitochondrial IMS import and assembly (MIA) pathway for efficient accumulation in the IMS. We also found that pathogenic mutant versions of RESA1 are imported slower than the wild type protein, and mislocalized mutant proteins are degraded in the cytosol by proteasome machinery. Interestingly, proteasome inhibition rescued both the mitochondrial localization of mutant RESA1 and complex IV activity in patient-derived fibroblasts. We propose that proteasome inhibition is a novel therapeutic approach for a broad range of mitochondrial pathologies that are associated with the excessive degradation of mitochondrial proteins that is caused by genetic mutations or biogenesis defects.