Abstract A subset of eukaryotic tRNAs is methylated in the anticodon loop to form the 3-methylcytosine (m3C) modification. In mammals, the number of tRNAs containing m3C has expanded to include mitochondrial (mt) tRNA-Ser-UGA and mt-tRNA-Thr-UGU. Whereas the enzymes catalyzing m3C formation in nuclear-encoded cytoplasmic tRNAs have been identified, the proteins responsible for m3C modification in mt-tRNAs are unknown. Here, we show that m3C formation in human mt-tRNAs is dependent upon the Methyltransferase-Like 8 (METTL8) enzyme. We find that METTL8 is a mitochondria-associated protein that interacts with mitochondrial seryl-tRNA synthetase along with mt-tRNAs containing m3C. Human cells deficient in METTL8 exhibit loss of m3C modification in mt-tRNAs but not nuclear-encoded tRNAs. Consistent with the mitochondrial import of METTL8, the formation of m3C in METTL8-deficient cells can be rescued by re-expression of wildtype METTL8 but not by a METTL8 variant lacking the N-terminal mitochondrial localization signal. Notably, METTL8-deficiency in human cells causes alterations in the native migration pattern of mt-tRNA-Ser-UGA suggesting a role for m3C in tRNA folding. Altogether, these findings demonstrate that METTL8 is required for m3C formation in mitochondrial tRNAs and uncover a potential role for m3C modification in mitochondrial tRNA structure.

ABSTRACT Alkb homolog 7 (ALKBH7) is a mitochondrial α-ketoglutarate dioxygenase required for necrotic cell death in response to DNA alkylating agents, but its physiologic role within tissues remains unclear. Herein, we show that ALKBH7 plays a key role in the regulation of dialdehyde metabolism, which impacts cardiac survival in response to ischemia-reperfusion (IR) injury. Using a multi-omics approach, we do not find evidence that ALKBH7 functions as a prolyl-hydroxylase. However, we do find that mice lacking ALKBH7 exhibit a significant increase in glyoxalase I (GLO-1), a dialdehyde detoxifying enzyme. Consistent with increased dialdehyde production, metabolomics analysis reveals rewiring of metabolic pathways related to the toxic glycolytic by-product methylglyoxal (MGO), as well as accelerated glycolysis and elevated levels of MGO protein adducts, in mice lacking ALKBH7. Consistent with roles for both necrosis and glycative stress in cardiac IR injury, hearts from male but not female Alkbh7 -/- mice are protected against IR, although somewhat unexpectedly this protection does not appear to involve modulation of the mitochondrial permeability transition pore. Highlighting the importance of MGO metabolism for the observed protection, removal of glucose as a metabolic substrate or pharmacologic inhibition of GLO-1 both abrogate cardioprotection in ALKBH7 deficient mice. Integrating these observations, we propose that ALKBH7 plays a role in the regulation of glyoxal metabolism, and that protection against necrosis and IR injury bought on by ALKBH7 deficiency originates from hormetic signaling in response to elevated MGO stress.

Nonstructural protein 5 (Nsp5) is the main protease of SARS-CoV-2 that cleaves viral polyproteins into individual polypeptides necessary for viral replication. Here, we show that Nsp5 binds and cleaves human tRNA methyltransferase 1 (TRMT1), a host enzyme required for a prevalent post-transcriptional modification in tRNAs. Human cells infected with SARS-CoV-2 exhibit a decrease in TRMT1 protein levels and TRMT1-catalyzed tRNA modifications, consistent with TRMT1 cleavage and inactivation by Nsp5. Nsp5 cleaves TRMT1 at a specific position that matches the consensus sequence of SARS-CoV-2 polyprotein cleavage sites, and a single mutation within the sequence inhibits Nsp5-dependent proteolysis of TRMT1. The TRMT1 cleavage fragments exhibit altered RNA binding activity and are unable to rescue tRNA modification in TRMT1-deficient human cells. Compared to wild-type human cells, TRMT1-deficient human cells infected with SARS-CoV-2 exhibit reduced levels of intracellular viral RNA. These findings provide evidence that Nsp5-dependent cleavage of TRMT1 and perturbation of tRNA modification patterns contribute to the cellular pathogenesis of SARS-CoV-2 infection.

Abstract Nervous system function relies on the formation and function of synaptic connections between neurons. Through a genetic screen in Drosophila for new conserved synaptic genes, we identified CG42261/Fid/ TRMT9B as a negative regulator of synaptogenesis. TRMT9B has been studied for its role as a tumor suppressor in multiple carcinomas and is one of two metazoan homologs of yeast tRNA methyltransferase 9 (Trm9), which methylates tRNA wobble uridines. Members of the expanded family of tRNA methyltransferases are increasingly being associated with neurological disorders and new biochemical functions. Interestingly, whereas Trm9 homolog ALKBH8/CG17807 is ubiquitously expressed, we find that TRMT9B is enriched in the nervous system, including at synapses. However, in the absence of animal models the role of TRMT9B in the nervous system has remained unknown. Here, we generated null alleles of TRMT9B and ALKBH8 , and through liquid chromatography-mass spectrometry find that ALKBH8 is responsible for canonical tRNA wobble uridine methylation under basal conditions. In the nervous system, we find that TRMT9B negatively regulates synaptogenesis through a methyltransferase-dependent mechanism in agreement with our modeling studies. Finally, we find that neurotransmitter release is impaired in TRMT9B mutants. Our findings reveal a role for TRMT9B in regulating synapse formation and function, and highlight the importance of the expanded family of tRNA methyltransferases in the nervous system.

In mammals, a subset of arginine tRNA isoacceptors are methylated in the anticodon loop by the METTL2 methyltransferase to form the 3-methylcytosine (m3C) modification. However, the mechanism by which METTL2 identifies specific arginine tRNAs for m3C formation as well as the biological role of m3C in mammals is unknown. Here, we show that human METTL2 forms a complex with DALR anticodon binding domain containing 3 (DALRD3) protein in order to recognize particular arginine tRNAs destined for m3C modification. Using biochemical reconstitution, we find that METTL2-DALDR3 complexes catalyze m3C formation in vitro that is dependent upon sequence elements specific to certain arginine tRNAs. Notably, DALRD3-deficient human cells exhibit nearly complete loss of the m3C modification in arginine tRNAs. These findings uncover an unexpected function for the DALRD3 protein in the targeting of distinct arginine tRNAs for m3C modification.

The human TRMT1 gene encodes an RNA methyltransferase enzyme responsible for the formation of the dimethylguanosine (m2,2G) modification in tRNAs. Frameshift mutations in the TRMT1 gene have been shown to cause autosomal-recessive intellectual disability (ID) in the human population but additional TRMT1 variants remain to be characterized. Here, we describe a homozygous missense variant in TRMT1 in a patient displaying developmental delay, ID, and epilepsy. The missense variant changes a conserved arginine residue to a cysteine (R323C) within the methyltransferase domain of TRMT1 and is expected to perturb protein folding. Patient cells expressing the TRMT1-R323C variant exhibit a severe deficiency in m2,2G modifications within tRNAs, indicating that the mutation causes loss-of-function. Notably, the TRMT1 R323C mutant retains the ability to bind tRNA but is unable to rescue m2,2G formation in TRMT1-deficient human cells. Our results identify a pathogenic point mutation in TRMT1 that severely perturbs tRNA modification activity, and provide the first demonstration that m2,2G modifications are disrupted in patients with TRMT1-associated ID disorders.

Nonstructural protein 5 (Nsp5) is the main protease of SARS-CoV-2 that cleaves viral polyproteins into individual polypeptides necessary for viral replication. Here, we show that Nsp5 binds and cleaves human tRNA methyltransferase 1 (TRMT1), a host enzyme required for a prevalent post-transcriptional modification in tRNAs. Human cells infected with SARS-CoV-2 exhibit a decrease in TRMT1 protein levels and TRMT1-catalyzed tRNA modifications, consistent with TRMT1 cleavage and inactivation by Nsp5. Nsp5 cleaves TRMT1 at a specific position that matches the consensus sequence of SARS-CoV-2 polyprotein cleavage sites, and a single mutation within the sequence inhibits Nsp5-dependent proteolysis of TRMT1. The TRMT1 cleavage fragments exhibit altered RNA binding activity and are unable to rescue tRNA modification in TRMT1-deficient human cells. Compared to wildtype human cells, TRMT1-deficient human cells infected with SARS-CoV-2 exhibit reduced levels of intracellular viral RNA. These findings provide evidence that Nsp5-dependent cleavage of TRMT1 and perturbation of tRNA modification patterns contribute to the cellular pathogenesis of SARS-CoV-2 infection.

Summary The tRNA methyltransferase 1 (TRMT1) enzyme catalyzes m2,2G modification in tRNAs. Intriguingly, vertebrates encode an additional tRNA methyltransferase 1-like (TRMT1L) paralog. Here, we use a comprehensive tRNA sequencing approach to decipher targets of human TRMT1 and TRMT1L. We find that TRMT1 methylates all known tRNAs containing guanosine at position 26 while TRMT1L represents the elusive enzyme catalyzing m2,2G at position 27 in tyrosine tRNAs. Surprisingly, TRMT1L is also necessary for maintaining acp3U modifications in a subset of tRNAs through a process that can be uncoupled from methyltransferase activity. We also demonstrate that tyrosine and serine tRNAs are dependent upon m2,2G modifications for their stability and function in translation. Notably, human patient cells with disease-associated TRMT1 variants exhibit reduced levels of tyrosine and serine tRNAs. These findings uncover unexpected roles for TRMT1 paralogs, decipher functions for m2,2G modifications, and pinpoint tRNAs dysregulated in human disorders caused by tRNA modification deficiency.

The interplay between chromatin structure and phase-separating proteins is an emerging topic in cell biology with implications for understanding disease states. Here, we investigate the functional relationship between bromodomain protein 4 (BRD4) and chromatin architecture. By combining molecular dynamics simulations with live-cell imaging, we demonstrate that BRD4, when mutated at specific N-terminus sites, significantly impacts nucleosome nanodomain (NN) organization and dynamics. Our findings reveal that enhanced chromatin binding activity of BRD4 condenses NNs, while both loss or gain of BRD4 chromatin binding reduced diffusion of single nucleosomes, suggesting a role for BRD4 in the regulation of nanoscale chromatin architecture and the chromatin microenvironment. These observations shed light on the nuanced regulation of chromatin structure by BRD4, offering insights into its role in maintaining the nuclear architecture and transcriptional activity.

2-hydroxyglutarate (2-HG) is an important epigenetic regulator, with potential roles in cancer and stem cell biology. The D (R) enantiomer (D-2-HG) is an oncometabolite generated from α-ketoglutarate (α-KG) by mutant isocitrate dehydrogenase (ICDH), while L (S) 2-HG is generated by lactate dehydrogenase (LDH) and malate dehydrogenase (MDH) in response to hypoxia. Since acidic pH is a common feature of hypoxia, as well as tumor and stem cell microenvironments, we hypothesized that pH may regulate cellular 2-HG levels. Herein we report that cytosolic acidification under normoxia moderately elevated 2-HG in cells, and boosting endogenous substrate α-KG levels further stimulated this elevation. Studies with isolated LDH-1 and MDH-2 revealed that generation of 2-HG by both enzymes was stimulated several-fold at acidic pH, relative to normal physiologic pH. In addition, acidic pH was found to inhibit the activity of the mitochondrial L-2-HG removal enzyme L-2-HG dehydrogenase, and to stimulate the reverse reaction of ICDH (carboxylation of α-KG to isocitrate). Furthermore, since acidic pH is known to stabilize hypoxia-inducible factor (HIF), and 2-HG is a known inhibitor of HIF prolyl hydroxylases, we hypothesized that 2-HG may be required for acid-induced HIF stabilization. Accordingly, cells stably over-expressing L-2HGDH exhibited a blunted HIF response to acid. Together these results suggest that acidosis is an important and previously overlooked regulator of 2-HG accumulation and other oncometabolic events, with implications for HIF signaling.