Ketone bodies are short chain fatty acids produced in the liver during periods of limited glucose availability that provide an alternative source of energy for the brain, heart, and skeletal muscle. Beyond this classical metabolic role, β-hydroxybutyrate (BHB), is gaining recognition as a pleiotropic signaling molecule. Lysine β-hydroxybutyrylation (Kbhb) is a newly discovered post-translational modification in which BHB is covalently attached to lysine ε-amino groups. This novel protein adduct is metabolically sensitive, dependent on BHB concentration, and found on proteins in multiple intracellular compartments, including the mitochondria and nucleus. Therefore, Kbhb is hypothesized to be an important component of ketone body-regulated physiology. Kbhb on histones is proposed to be an epigenetic regulator, which links metabolic alterations to gene expression. However, we found that the widely used antibody against the β-hydroxybutyrylated lysine 9 on histone H3 (H3K9bhb) also recognizes other modification(s), which are increased by deacetylation inhibition and include likely acetylations. Therefore, caution must be used when interpreting gene regulation data acquired with the H3K9bhb antibody.

Starvation and low carbohydrate diets lead to the accumulation of the ketone body, β-hydroxybutyrate (BHB), whose blood concentrations increase more than 10-fold into the millimolar range. In addition to providing a carbon source, BHB accumulation triggers lysine β-hydroxybutyrylation (Kbhb) of proteins via unknown mechanisms. As with other lysine acylation events, Kbhb marks can be removed by histone deacetylases (HDACs). Here, we report that class I HDACs unexpectedly catalyze protein lysine modification with β-hydroxybutyrate (BHB). Mutational analyses of the HDAC2 active site reveal a shared reliance on key amino acids for classical deacetylation and non-canonical HDAC-catalyzed β-hydroxybutyrylation. Also consistent with reverse HDAC activity, Kbhb formation is driven by mass action and substrate availability. This reverse HDAC activity is not limited to BHB but also extends to multiple short-chain fatty acids. The reversible activity of class I HDACs described here represents a novel mechanism of PTM deposition relevant to metabolically-sensitive proteome modifications.