Otimizando consultas MySQL em dados hierárquicos

Sem gastar tempo testando, você forneceu um exemplo incompleto? Você definitivamente deveria tentar reordenar de tabelas unidas. A saída de explicação fornece algumas informações, digamos que a ordenação por key_len deve ser heuristicamente mais rápida. A primeira tabela a ser filtrada deve ser listada como a última, caso o otimizador não consiga descobrir isso, acredito.

Então, digamos que a ordem 'c, v, k, u' seja a melhor.

SELECT DISTINCT
  `v`.`key`,
  `u`.`val`
FROM
  `VertexDictionary`  AS `u`
  JOIN `SpecialKeys`       AS `k` ON (`k`.`x`, `k`.`key`) = (`u`.`x`, `u`.`key`)
  JOIN `VertexDictionary`  AS `v`
  JOIN `ConnectedVertices` AS `c` ON (`u`.`x`, `u`.`y`  ) = (`c`.`tail_x`, `c`.`tail_y`)
           AND (`v`.`x`, `v`.`y`  ) = (`c`.`head_x`, `c`.`head_y`)
WHERE
  `v`.`x` = X
;

'rows' sugeriria a ordem 'c/u, k, v', mas isso depende dos dados:

SELECT DISTINCT
  `v`.`key`,
  `u`.`val`
FROM
  `VertexDictionary`  AS `u`
  JOIN `VertexDictionary`  AS `v`
  JOIN `SpecialKeys`       AS `k` ON (`k`.`x`, `k`.`key`) = (`u`.`x`, `u`.`key`)
  JOIN `ConnectedVertices` AS `c` ON (`u`.`x`, `u`.`y`  ) = (`c`.`tail_x`, `c`.`tail_y`)
                                 AND (`v`.`x`, `v`.`y`  ) = (`c`.`head_x`, `c`.`head_y`)
 WHERE
  `v`.`x` = X
;

Espero que isto ajude.

ATUALIZAÇÃO (evitando a junção varchar):

SELECT DISTINCT
  `v`.`key`,
  `u`.`val`
FROM
       `ConnectedVertices` AS `c`
  JOIN `VertexDictionary`  AS `u` ON (`u`.`x`, `u`.`y`  ) = (`c`.`tail_x`, `c`.`tail_y`)
  JOIN `VertexDictionary`  AS `v` ON (`v`.`x`, `v`.`y`  ) = (`c`.`head_x`, `c`.`head_y`)
WHERE
  (`u`.`x`, `u`.`key`) IN (SELECT `k`.`x`, `k`.`key` FROM `SpecialKeys` AS `k`)
AND
  `v`.`x` = X
;