Mitochondria in neurons, in addition to their primary role in bioenergetics, also contribute to specialized functions, including regulation of synaptic transmission, Ca2+ homeostasis, neuronal excitability, and stress adaptation. However, the factors that influence mitochondrial biogenesis and function in neurons remain poorly elucidated. Here, we identify an important role for serotonin (5-HT) as a regulator of mitochondrial biogenesis and function in rodent cortical neurons, via a 5-HT2A receptor-mediated recruitment of the SIRT1-PGC-1α axis, which is relevant to the neuroprotective action of 5-HT. We found that 5-HT increased mitochondrial biogenesis, reflected through enhanced mtDNA levels, mitotracker staining, and expression of mitochondrial components. This resulted in higher mitochondrial respiratory capacity, oxidative phosphorylation (OXPHOS) efficiency, and a consequential increase in cellular ATP levels. Mechanistically, the effects of 5-HT were mediated via the 5-HT2A receptor and master modulators of mitochondrial biogenesis, SIRT1 and PGC-1α. SIRT1 was required to mediate the effects of 5-HT on mitochondrial biogenesis and function in cortical neurons. In vivo studies revealed that 5-HT2A receptor stimulation increased cortical mtDNA and ATP levels in a SIRT1-dependent manner. Direct infusion of 5-HT into the neocortex and chemogenetic activation of 5-HT neurons also resulted in enhanced mitochondrial biogenesis and function in vivo. In cortical neurons, 5-HT enhanced expression of antioxidant enzymes, decreased cellular reactive oxygen species, and exhibited neuroprotection against excitotoxic and oxidative stress, an effect that required SIRT1. These findings identify 5-HT as an upstream regulator of mitochondrial biogenesis and function in cortical neurons and implicate the mitochondrial effects of 5-HT in its neuroprotective action.

Abstract Cholesterol derived from the host milieu forms a critical factor for mycobacterial pathogenesis. However, the molecular circuitry co-opted by Mycobacterium tuberculosis (Mtb) to accumulate cholesterol in host cells remains obscure. Here, we report that a functional amalgamation of WNT-responsive histone modifiers G9a (H3K9 methyltransferase) and Sirt6 (H3K9 deacetylase) orchestrate cholesterol build-up in in-vitro and in-vivo models of Mtb infection. Mechanistically, G9a, along with SREBP2, drives the expression of cholesterol biosynthesis and uptake genes; while Sirt6 represses the genes involved in cholesterol efflux. The accumulated cholesterol promotes the expression of antioxidant genes leading to reduced oxidative stress, thereby supporting Mtb survival. In corroboration, loss-of-function of G9a in vitro and in vivo by pharmacological inhibition; or utilization of BMDMs derived from Sirt6 KO mice or in vivo infection in Sirt6 heterozygous mice; hampers host cholesterol accumulation and restricts Mtb burden. These findings shed light on the novel roles of G9a and Sirt6 during Mtb infection and highlight the previously unknown contribution of host cholesterol in potentiating anti-oxidative responses for aiding Mtb survival.

Cyclin-dependent-kinases (CDKs) are essential for cell cycle progression. While dependence of CDK activity on Cyclin levels is established, molecular mechanisms that regulate their binding are less studied. Here, we show that CDK1:Cyclin-B interactions are regulated by acetylation, which was hitherto unknown. We demonstrate that cell cycle dependent acetylation of the evolutionarily conserved catalytic lysine in CDK1 or eliminating its charge state abrogates Cyclin-B binding. Opposing activities of SIRT1 and P300 regulate acetylation, which marks a reserved pool of CDK1. Our high resolution structural analyses into the formation of kinase competent CDK1:Cyclin-B complex have unveiled long-range effects of catalytic lysine in configuring the CDK1 interface for Cyclin-B binding. Cells expressing acetylation mimic mutant of Cdc2 in yeast are arrested in G2 and fail to divide. Thus, by illustrating cell cycle dependent deacetylation as a determinant of CDK1:Cyclin-B interaction, our results redefine the current model of CDK1 activation and cell cycle progression.

Abstract Intermediary metabolites and flux through various pathways have emerged as key determinants of post-translational modifications. Independently, dynamic fluctuations in their concentrations are known to drive cellular energetics in a bi-directional manner. Notably, intracellular fatty acid pools that drastically change during fed and fasted states act as precursors for both ATP production and fatty acylation of proteins. Protein fatty acylation is well regarded for its role in regulating structure and functions of diverse proteins, however the effect of intracellular concentrations of fatty acids on protein modification is less understood. In this regard, we unequivocally demonstrate that metabolic contexts, viz. fed and fasted states, dictate the extent of global fatty acylation. Moreover, we show that presence or absence of glucose, that influences cellular and mitochondrial uptake/utilization of fatty acids, affects palmitoylation and oleoylation, which is consistent with their intracellular abundance in fed and fasted states. Employing complementary approaches including click-chemistry, lipidomics and imaging, we show the top-down control of cellular metabolic state. Importantly, our results establish the crucial role of mitochondria and retrograde signaling components like SIRT4, AMPK and mTOR in orchestrating protein fatty acylation at a whole cell level. Specifically, pharmacogenetic perturbations that alter either mitochondrial functions and/or retrograde signaling affect protein fatty acylation. Besides illustrating the cross-talk between carbohydrate and lipid metabolism in mediating bulk post-translational modification, our findings also highlight the involvement of mitochondrial energetics.

Inefficient fasted-to-refed transitions are known to cause metabolic diseases. Thus, identifying mechanisms that may constitute molecular switches during such physiological transitions become crucial. Specifically, whether nutrients program a relay of interactions in master regulators, such as SIRT1, and affect their stability is underexplored. Here, we elucidate nutrient-dependent O-GlcNAcylation of SIRT1, within its N-terminal domain, as a key determinant of hepatic glucose- and fat-metabolism, and insulin signaling. SIRT1 glycosylation dictates interactions with PPARα/FOXO1/PGC1α/SREBP1, to exert a temporal control over transcription of genes during fasted-to-refed transitions. Interestingly, glycosylation-dependent cytosolic export of SIRT1 promotes a transient interaction with AKT and subsequent proteasomal degradation. Loss of glycosylation discomposes these interactions and enhances stability of SIRT1 even upon refeeding, which causes insulin resistance, hyperglycemia and hepatic-inflammation. Aberrant glycosylation of SIRT1 is associated with aging and/or metabolic diseases. Thus, nutrient-dependent glycosylation constrains spatio-temporal dynamics of SIRT1 and gates its functions to maintain metabolic homeostasis.

In Drosophila ovary, germline stem cells (GSCs) reside in a somatic cell niche that provides them signals necessary for their survival and development. Escort cells (ECs), one of the constituents of the niche, help in differentiation of GSC daughter cells. Since nutritional state is known to affect oogenesis, we set out to address the role of a metabolic sensor. NAD-dependent Sir2 is known to acts as a regulator of organismal life-span in a diet dependent manner. Our current study reveals that Sir2 in somatic cells is necessary for germline differentiation. Specifically, Sir2 in ECs upregulates Dpp signalling giving rise to tumorous germaria. In addition to this non-autonomous role of Sir2 in regulation of the germline cell homeostasis, we have demonstrated that EC-specific Sir2 has a role in attributing the identity of Cap cells as well as in de-differentiation of germline cells. Our study also shows that a genetic interaction between Sir2 and upd2 is important for the development of germline cells. Thus, we provide novel insights into the role of Sir2 in ovary development.

Anabolic and catabolic signalling mediated via mTOR and AMPK have to be intrinsically coupled to mitochondrial functions for maintaining homeostasis and mitigate cellular/organismal stress. Although, glutamine is known to activate mTOR, if/how differential mitochondrial utilization of glutamine impinges on mTOR signalling is less explored. Mitochondrial SIRT4, which unlike other sirtuins is induced in a fed state, is known to inhibit catabolic signalling/pathways through AMPK-PGC1a/SIRT1-PPARa axis and negatively regulate glutamine metabolism via TCA cycle. However, physiological significance of SIRT4 functions during a fed state is still unknown. Here, we establish SIRT4 as key anabolic factor that activates TORC1 signalling and regulates lipogenesis, autophagy and cell proliferation. Mechanistically, we demonstrate that the ability of SIRT4 to inhibit anaplerotic conversion of glutamine to α-ketoglutarate potentiates TORC1. Interestingly, we also show that mitochondrial glutamine sparing or utilization is critical for differentially regulating TORC1 under fed and fasted conditions. Moreover, we conclusively show that differential expression of SIRT4 during fed and fasted states is vital for coupling mitochondrial energetics and glutamine utilization with anabolic pathways. These significant findings also illustrate that SIRT4 integrates nutrient inputs with mitochondrial retrograde signals to maintain a balance between anabolic and catabolic pathways.

Mitochondrial mechanisms and pathways have recently emerged as critical determinants of organismal aging. While nuclear sirtuins have been shown to regulate aging, whether mitochondrial sirtuins do so is still unclear. Here, we report that mitochondrial dSirt4 mediates organismal survival. We establish that absence of dSirt4 leads to reduced lifespan independent of dietary inputs. Further by assaying locomotion, a key correlate of aging, we demonstrate that dSirt4 null flies are severely physically impaired with a significant reduction in locomotion. In summary, we report for the first time that mitochondrial dSirt4 is a key determinant of longevity and its loss leads to early aging.

Meiotic components and their functions have been extensively studied. Yet, the interplay between molecular factors and regulation of their functions that is brought about by post-translational modifications, specifically (de)-acetylation, is not well characterized. SIRT1, a NAD+-dependent deacetylase has been previously shown to be necessary for spermatogenesis. However, whether it has any role to play in mammalian meiosis remains to be uncovered. Our findings identify SIRT1 as a key determinant of meiotic progression. Knocking out SIRT1 specifically in meiocytes (SIRT1Δmeio) led to a delay in progression through pachytene and repair of double strand breaks. Interestingly, despite these deficits, meiotic loss of SIRT1 did not affect synapsis nor did it lead to pachytene arrest or apoptosis. Moreover, our results demonstrate that SIRT1 is required for regulating crossover frequency and its absence results in higher crossover events. Therefore, our study brings to the fore a novel regulatory factor/mechanism that is necessary for coupling of synapsis and recombination. This is noteworthy since mutations in core meiotic components result in gross defects in synapsis, repair and recombination, and very few studies have reported the differential regulation of these processes. Further, exposing SIRT1Δmeio to low/moderate doses of γ-irradiation indicated that SIRT1 might be involved in eliciting recombination checkpoint arrest and in its absence pachytene cells progress to diplotene stage, unlike in the SIRT1WT mice. Importantly, exogenous damage resulted in enhanced retention of γH2AX in SIRT1Δmeio diplotene cells, reiterating the critical role that SIRT1 plays in regulating repair efficiency/kinetics. Molecularly, we find that SIRT1 interacts with MRN complex and lack of SIRT1 causes hyperacetylation of several non-histone proteins including the MRN components. Given that SIRT1Δmeio mice mimic MRN hypomorphs, we propose that SIRT1-dependent deacetylation of these proteins is crucial for normal meiotic progression. Taken together, our study uncovers a previously unappreciated role of SIRT1 in meiotic progression.

ABSTRACT The ATP‐dependent phosphorylation activity of cyclin‐dependent kinase 1 (CDK1), an essential enzyme for cell cycle progression, is regulated by interactions with Cyclin‐B, substrate, and Cks proteins. We have recently shown that active site acetylation in CDK1 abrogated binding to Cyclin‐B which posits an intriguing long‐range communication between the catalytic site and the protein–protein interaction (PPI) interface. Now, we demonstrate a general allosteric link between the CDK1 active site and all three of its PPI interfaces through atomistic molecular dynamics (MD) simulations. Specifically, we examined ATP binding free energies to CDK1 in native nonacetylated (K33wt) and acetylated (K33Ac) forms as well as the acetyl‐mimic K33Q and the acetyl‐null K33R mutant forms, which are accessible in vitro. In agreement with experiments, ATP binding is stronger in K33wt relative to the other three perturbed states. Free energy decomposition reveals, in addition to expected local changes, significant and selective nonlocal entropic responses to ATP binding/perturbation of K33 from the ‐helix, activation loop (A‐loop), and ‐H segments in CDK1 which interface with Cyclin‐B, substrate, and Cks proteins, respectively. Statistical analysis reveals that while entropic responses of protein segments to active site perturbations are on average correlated with their dynamical changes, such correlations are lost in about 9%–48% of the dataset depending on the segment. Besides proving the bi‐directional communication between the active site and the CDK1:Cyclin‐B interface, our study uncovers a hitherto unknown mode of ATP binding regulation by multiple PPI interfaces in CDK1.