Abstract O -GlcNAcylation is an abundant post-translational modification (PTM) on serine and threonine residues of nuclear and cytoplasmic proteins. Although this PTM has been reported on thousands of proteins, O -GlcNAc transferase (OGT) and hydrolase (OGA) are the only two enzymes that perform the respective addition and removal of O -GlcNAc on protein substrates. To examine the consequences of deregulated O -GlcNAcylation, the O -GlcNAc field has mostly relied on the use of RNA interference to knockdown OGT/OGA and inhibitors to block their activities in cells. Here, we describe the first complete CRISPR-Cas9 knockouts of OGA and a knockdown of OGT (with a maximal decrease in expression of over 80%) in two human cell lines. Notably, constitutive depletion of one O -GlcNAc cycling enzyme not only led to a respective increase or decrease in total O -GlcNAcylation levels but also resulted in diminished expression of the opposing enzyme, as a compensatory mechanism, observed in previous short-term pharmacological studies. The OGA knockout system presents a convenient platform to dissect OGA mutations and was used to further characterise the single Ser405 O -GlcNAc site of human OGA using the S -GlcNAc genetic recoding approach, helping to identify an S -GlcNAc-specific antibody which was previously thought to primarily detect O -GlcNAc.

Abstract O-GlcNAcylation is a protein modification that is critical for vertebrate development, catalysed by O-GlcNAc transferase (OGT) and reversed by O-GlcNAcase (OGA). Missense mutations in OGT have recently been shown to segregate with a syndromic form of intellectual disability, OGT-linked Congenital Disorder of Glycosylation (OGT-CDG). Although OGT-CDG suggests a critical role of O-GlcNAcylation in neurodevelopment and/or cognitive function, the underlying pathophysiologic mechanisms remain unknown. Here we report three mouse lines that carry three different catalytically impaired OGT-CDG variants. These mice show altered O-GlcNAc homeostasis with decreased global O-GlcNAcylation and OGT/OGA levels in the brain. Phenotypic characterization of the mice revealed microcephaly and cognitive deficits including hyperactivity, anxiety and altered spatial working memory. These mouse models will serve as an important tool to study genotype-phenotype correlation in OGT-CDG in vivo and for the development of possible treatment avenues for this disorder. Significant statement Mutations in O-GlcNAc transferase (OGT), the sole enzyme that installs O-GlcNAc sugar on proteins, lead to intellectual disability through unknown mechanisms. We have generated mouse models carrying OGT mutations that show reduction in brain size, hyperactivity and defects in memory. These mouse models will serve as a valuable tool to further investigate disease mechanism and propose future treatment avenues.

Abstract Protein O-GlcNAcylation is an evolutionary conserved post-translational modification catalysed by the nucleocytoplasmic O-GlcNAc transferase (OGT) and reversed by O-GlcNAcase (OGA). How site-specific O-GlcNAcylation modulates a diverse range of cellular processes is largely unknown. A limiting factor in studying this is the lack of accessible techniques capable of producing homogeneously O-GlcNAcylated proteins, in high yield, for in vitro studies. Here, we exploit the tolerance of OGT for cysteine instead of serine, combined with a co-expressed OGA to achieve site-specific, highly homogeneous mono-glycosylation. Applying this to DDX3X, TAB1, and CK2α, we demonstrate that near-homogeneous mono-S-GlcNAcylation of these proteins promotes DDX3X and CK2α solubility and enables production of mono-S-GlcNAcylated TAB1 crystals, albeit with limited diffraction. Taken together, this work provides a new approach for functional dissection of protein O-GlcNAcylation.

Aspergillus fumigatus is a human opportunistic fungal pathogen with a cell wall that protects it from the extracellular environment. Chitin, an essential cell wall component, is synthesised from UDP-GlcNAc that is produced by the hexosamine biosynthetic pathway. Here, we provide genetic and chemical evidence that glucosamine 6-phosphate N-acetyltransferase (Gna1), a key enzyme in this pathway, is an exploitable antifungal drug target. Deletion of GNA1 results in loss of viability and disruption of the cell wall, phenotypes that can be rescued by the product of the enzyme. In a murine model of aspergillosis, the Δgna1 mutant strain attenuates virulence. Using a fragment-based approach, we discovered a small heterocyclic scaffold that binds proximal to the active site and can be optimised to a selective sub-micromolar binder. Taken together, we have provided genetic, structural and chemical evidence for Gna1 as an antifungal target in Aspergillus fumigatus.

Abstract O-linked β-N-acetylglucosamine (O-GlcNAc) transferase (OGT) is an essential enzyme that modifies proteins with O-GlcNAc. Inborn OGT genetic variants were recently shown to mediate a novel type of Congenital Disorder of Glycosylation (OGT-CDG) which is characterized by X-linked intellectual disability (XLID) and developmental delay. Here, we report an OGT C921Y variant which co-segregates with XLID and epileptic seizures, and results in loss of catalytic activity. Colonies formed by mouse embryonic stem cells carrying OGT C921Y show decreased levels of protein O-GlcNAcylation accompanied by decreased levels of Oct4, Sox2 and extracellular alkaline phosphatase (ALP), implying reduced self-renewal capacity. These data establish a link between OGT-CDG and embryonic stem cell self-renewal, providing a foundation for examining the developmental aetiology of this syndrome. Summary statement We show that the C921Y O-GlcNAc transferase variant found in patients with intellectual disability leads to a defect in pluripotent stem cell self-renewal and decreased levels of stem cell markers.

Abstract O-GlcNAcylation is an evolutionary conserved post-translational modification implicated in neurodevelopment. Missense variants of O-GlcNAc transferase (OGT) are causal for the intellectual disability syndrome OGT Congenital Disorder of Glycosylation (OGT-CDG). The observation of microcephaly in OGT-CDG patients suggests that dysregulation of the cell cycle and aberrant neurogenesis may contribute to disease aetiology. Here, we identify Ser584 O-GlcNAcylation of DDX3X, a known intellectual disability and microcephaly associated protein, as a key regulator of G1/S-phase transition, inhibiting proteasome-dependent degradation of DDX3X. DDX3X levels are reduced in a mouse model of OGT-CDG, alongside the DDX3X-target gene and synaptogenic regulator cyclin E1. These data reveal how a single DDX3X O-GlcNAc site exerts control of the cell cycle and highlights dysregulation of DDX3X-dependent translation, and concomitant impairments in cortical neurogenesis, as a possible pathway disrupted in OGT-CDG.

Abstract O-GlcNAcylation is a reversible co-/post-translational modification involved in a multitude of cellular processes. The addition and removal of O-GlcNAc modification is controlled by two conserved enzymes, O-GlcNAc transferase (OGT) and O-GlcNAc hydrolase (OGA). Mutations in OGT have recently been discovered to cause a novel Congenital Disorder of Glycosylation (OGT-CDG) that is characterized by intellectual disability. The mechanisms by which OGT-CDG mutations affect cognition remain unclear. We manipulated O-GlcNAc transferase and O-GlcNAc hydrolase activity in Drosophila and demonstrate an important role of O-GlcNAcylation in habituation learning and synaptic development at the larval neuromuscular junction. Introduction of patient-specific missense mutations into Drosophila O-GlcNAc transferase using CRISPR/Cas9 gene editing, leads to deficits in locomotor function and habituation learning. The habituation deficit can be corrected by blocking O-GlcNAc hydrolysis, indicating that OGT-CDG mutations affect cognitive function via reduced protein O-GlcNAcylation. This study establishes a critical role for O-GlcNAc cycling and disrupted O-GlcNAc transferase activity in cognitive dysfunction. These findings suggest that blocking O-GlcNAc hydrolysis is a potential treatment strategy for OGT-CDG. Author summary Attachment of single N-acetylglucosamine (GlcNAc) sugars to intracellular proteins has recently been linked to neurodevelopment and cognition. This link has been strengthened by discovery of O-GlcNAc transferase (OGT) missense mutations in intellectual disability. Most of these mutations lie outside the catalytic O-GlcNAc transferase domain and it is unclear how they affect cognitive function. Using the fruit fly Drosophila melanogaster as a model organism, we found that a balance in O-GlcNAc cycling is required for learning and neuronal development. Habituation, a fundamental form of learning, is affected in flies that carry patient-specific OGT mutations, and increasing O-GlcNAcylation genetically corrects the habituation deficit. Our work establishes a critical role for O-GlcNAc cycling in a cognition-relevant process, identifies defective O-GlcNAc transferase activity as a cause of intellectual disability, and proposes underlying mechanisms that can be further explored as treatment targets.

Most intellectual disabilities are caused by monogenic variation. Mutations in the O-GlcNAc transferase (OGT) gene have recently been linked to a novel congenital disorder of glycosylation (OGT-CDG), involving symptoms of possible neuroectodermal origin. To test the hypothesis that pathology is linked to defects in differentiation during early embryogenesis, we developed an OGT-CDG induced pluripotent stem cell lines together with an isogenic controls generated by CRISPR/Cas9 gene-editing. Although the OGT-CDG variant leads to a significant decrease in OGT and O-GlcNAcase protein levels, there were no changes in differentiation potential or stemness. However, differentiation into ectoderm resulted in significant differences in O-GlcNAc homeostasis. Further differentiation to neuronal stem cells revealed differences in morphology between patient and control lines, accompanied by disruption of the O-GlcNAc pathway. This suggests a critical role for O-GlcNAcylation in early neuroectoderm architecture, with robust compensatory mechanisms in the earliest stages of stem cell differentiation.

Abstract O-GlcNAcylation is an essential intracellular protein modification mediated by O-GlcNAc transferase (OGT) and O-GlcNAcase (OGA). Recently, missense mutations in OGT have been linked to intellectual disability, indicating that this modification is important for the development and functioning of the nervous system. However, the processes that are most sensitive to perturbations in O-GlcNAcylation remain to be identified. Here, we uncover quantifiable phenotypes in the fruit fly Drosophila melanogaster carrying a patient-derived OGT mutation in the catalytic domain. Hypo-O-GlcNAcylation leads to defects in synaptogenesis and reduced sleep stability. Both these phenotypes can be partially rescued by genetically or chemically targeting OGA, suggesting that a balance of OGT/OGA activity is required for normal neuronal development and function.

O-GlcNAcylation is an essential intracellular protein modification mediated by O-GlcNAc transferase (OGT) and O-GlcNAcase (OGA). Recently, missense mutations in OGT have been linked to intellectual disability, indicating that this modification is important for the development and functioning of the nervous system. However, the processes that are most sensitive to perturbations in O-GlcNAcylation remain to be identified. Here, we uncover quantifiable phenotypes in the fruit fly Drosophila melanogaster carrying a patient-derived OGT mutation in the catalytic domain. Hypo-O-GlcNAcylation leads to defects in synaptogenesis and reduced sleep stability. Both these phenotypes can be partially rescued by genetically or chemically targeting OGA, suggesting that a balance of OGT/OGA activity is required for normal neuronal development and function.