Summary

 Generation of the "epitranscriptome" through post-transcriptional ribonucleoside modification embeds a layer of regulatory complexity into RNA structure and function. Here, we describe N4-acetylcytidine (ac4C) as an mRNA modification that is catalyzed by the acetyltransferase NAT10. Transcriptome-wide mapping of ac4C revealed discretely acetylated regions that were enriched within coding sequences. Ablation of NAT10 reduced ac4C detection at the mapped mRNA sites and was globally associated with target mRNA downregulation. Analysis of mRNA half-lives revealed a NAT10-dependent increase in stability in the cohort of acetylated mRNAs. mRNA acetylation was further demonstrated to enhance substrate translation in vitro and in vivo. Codon content analysis within ac4C peaks uncovered a biased representation of cytidine within wobble sites that was empirically determined to influence mRNA decoding efficiency. These findings expand the repertoire of mRNA modifications to include an acetylated residue and establish a role for ac4C in the regulation of mRNA translation.

Abstract NAT10 is an essential enzyme that catalyzes the formation of N 4 -acetylcytidine (ac 4 C) in eukaryotic transfer RNA (tRNA) and 18S ribosomal RNA (rRNA). Recent studies in human cells suggested that rRNA acetylation is dependent on SNORD13, a non-canonical box C/D small nucleolar RNA (SNORD) predicted to base-pair with 18S rRNA via two antisense elements. However, the selectivity of SNORD13-dependent cytidine acetylation and its relationship to NAT10’s essential function in pre-rRNA processing remain to be defined. Here, we used CRISPR-Cas9 genome editing to formally demonstrate that SNORD13 is required for acetylation of a single cytidine residue of human and zebrafish 18S rRNA. In-depth characterization revealed that SNORD13-dependent ac 4 C is dispensable for yeast or human cell growth, ribosome biogenesis, translation, and the development of multicellular metazoan model organisms. This loss of function analysis inspired a cross-evolutionary survey of the eukaryotic rRNA acetylation ‘machinery’ that led to the characterization of many novel SNORD13 genes in phylogenetically-distant metazoans and more deeply rooted photosynthetic organisms. This includes an atypical SNORD13-like RNA in D. melanogaster which appears to guide ac 4 C to 18S rRNA helix 45 despite lacking one of the two rRNA antisense elements. Finally, we discover that C. elegans 18S rRNA is not acetylated despite the presence of an essential NAT10 homolog. Altogether, our findings shed light on the molecular mechanisms underlying SNORD13-mediated rRNA acetylation across the eukaryotic tree of life and raise new questions regarding the biological function and evolutionary persistence of this highly conserved rRNA base modification.

Abstract Downregulation of the urea cycle enzyme argininosuccinate synthase (ASS1) in multiple tumors is associated with a poor prognosis partly because of the metabolic diversion of cytosolic aspartate for pyrimidine synthesis, supporting proliferation and mutagenesis owing to nucleotide imbalance. Here, we find that prolonged loss of ASS1 promotes DNA damage in colon cancer cells and fibroblasts from subjects with citrullinemia type I. Following acute induction of DNA damage with doxorubicin, ASS1 expression is elevated in the cytosol and the nucleus with at least a partial dependency on p53; ASS1 metabolically restrains cell cycle progression in the cytosol by restricting nucleotide synthesis. In the nucleus, ASS1 and ASL generate fumarate for the succination of SMARCC1, destabilizing the chromatin-remodeling complex SMARCC1–SNF5 to decrease gene transcription, specifically in a subset of the p53-regulated cell cycle genes. Thus, following DNA damage, ASS1 is part of the p53 network that pauses cell cycle progression, enabling genome maintenance and survival. Loss of ASS1 contributes to DNA damage and promotes cell cycle progression, likely contributing to cancer mutagenesis and, hence, adaptability potential.

ABSTRACT Human NAT10 acetylates the N4 position of cytidine in RNA, predominantly on rRNA and tRNA, to facilitate ribosome biogenesis and protein translation. NAT10 has been proposed as a therapeutic target in cancers as well as aging-associated pathologies such as Hutchinson-Gilford Progeria Syndrome (HGPS). The ∼120 kDa NAT10 protein uses its acetyl-CoA-dependent acetyltransferase, ATP-dependent helicase, and RNA binding domains in concert to mediate RNA-specific N4-cytidine acetylation. While the biochemical activity of NAT10 is well known, the molecular basis for catalysis of eukaryotic RNA acetylation remains relatively undefined. To provide molecular insights into the RNA-specific acetylation by NAT10, we determined the single particle cryo-EM structures of Chaetomium thermophilum NAT10 ( Ct NAT10) bound to a bisubstrate cytidine-CoA probe with and without ADP. The structures reveal that NAT10 forms a symmetrical heart-shaped dimer with conserved functional domains surrounding the acetyltransferase active sites harboring the cytidine-CoA probe. Structure-based mutagenesis with analysis of mutants in vitro supports the catalytic role of two conserved active site residues (His548 and Tyr549 in Ct NAT10), and two basic patches, both proximal and distal to the active site for RNA-specific acetylation. Yeast complementation analyses and senescence assays in human cells also implicates NAT10 catalytic activity in yeast thermoadaptation and cellular senescence. Comparison of the NAT10 structure to protein lysine and N-terminal acetyltransferase enzymes reveals an unusually open active site suggesting that these enzymes have been evolutionarily tailored for RNA recognition and cytidine-specific acetylation.

Lysine lactoylation is a recently described protein post-translational modification (PTM). However, the biochemical pathways responsible for this acylation remain unclear. Two metabolite-dependent mechanisms have been proposed: enzymatic histone lysine lactoylation derived from lactoyl-coenzyme A (lactoyl-CoA), and non-enzymatic lysine lactoylation resulting from acyl-transfer via lactoyl-glutathione. While the former has precedent in the form of enzyme-catalyzed lysine acylation, the lactoyl-CoA metabolite has not been previously quantified in mammalian systems. Here we use liquid chromatography-high resolution mass spectrometry (LC-HRMS) together with a synthetic standard to detect and validate the presence of lactoyl-CoA in cell and tissue samples. Conducting a retrospective analysis of data from previously analyzed samples revealed the presence of lactoyl-CoA in diverse cell and tissue contexts. In addition, we describe a biosynthetic route to generate 13C315N1-isotopically-labeled lactoyl-CoA, providing a co-eluting internal standard for analysis of this metabolite. These analyses enable estimation of lactoyl-CoA concentrations of 1.14x10-8 pmol/cell in cell culture and 0.0172 pmol/mg tissue wet weight in mouse heart. These levels are similar to crotonyl-CoA, but between 20-350 times lower than major acyl-CoAs such as acetyl-, propionyl- and succinyl-CoA. Overall our studies provide the first quantitative measurements of lactoyl-CoA, and provide a methodological foundation for the interrogation of this novel metabolite in biology and disease.

Hereditary cancer disorders often provide an important window into novel mechanisms supporting tumor growth and survival. Understanding these mechanisms and developing biomarkers to identify their presence thus represents a vital goal. Towards this goal, here we report a chemoproteomic map of the covalent targets of fumarate, an oncometabolite whose accumulation marks the genetic cancer predisposition syndrome hereditary leiomyomatosis and renal cell carcinoma (HLRCC). First, we validate the ability of known and novel chemoproteomic probes to report on concentration-dependent fumarate reactivity in vitro. Next, we apply these probes in concert with LC-MS/MS to identify cysteine residues sensitive to either fumarate treatment or fumarate hydratase (FH) mutation in untransformed and HLRCC cell models, respectively. Mining this data to understand the structural determinants of fumarate reactivity led to the discovery of an unexpected anti-correlation with nucleophilicity, indicating a novel influence of pH on fumarate-cysteine interactions. Finally, we show that many fumarate-sensitive and FH-regulated cysteines are found in functional protein domains, and perform functional studies of a fumarate-sensitive cysteine in SMARCC1 that lies at a key protein-protein interface in the SWI-SNF tumor suppressor complex. Our studies provide a powerful resource for understanding the influence of fumarate on reactive cysteine residues, and lay the foundation for future efforts to exploit this distinct aspect of oncometabolism for cancer diagnosis and therapy.

Abstract Acetylation of protein and RNA represent a critical event for development and cancer progression. NAT10 is the only known RNA acetylase that catalyzes the N4-actylcytidine (ac4C) modification of RNAs. Here, we show that the loss of NAT10 significantly decreases lung metastasis in allograft and genetically engineered mouse models of breast cancer. NAT10 interacts with a mechanosensitive, metastasis susceptibility protein complex at the nuclear pore. In addition to its canonical role in RNA acetylation, we find that NAT10 interacts with p300 at gene enhancers. NAT10 loss is associated with p300 mislocalization into heterochromatin regions. NAT10 depletion disrupts enhancer organization, leading to alteration of gene transcription necessary for metastatic progression, including reduced myeloid cell-recruiting chemokines that results in a less metastasis-prone tumor microenvironment. Our study uncovers a distinct role of NAT10 in enhancer organization of metastatic tumor cells and suggests its involvement in the tumor-immune crosstalk dictating metastatic outcomes.

ABSTRACT Transfer RNA (tRNA) modifications are crucial for protein synthesis, but their position-specific physiological roles remain poorly understood. Here we investigate the impact of N4-acetylcytidine (ac 4 C), a highly conserved tRNA modification, using a Thumpd1 knockout mouse model. We find that loss of Thumpd1-dependent tRNA acetylation leads to reduced levels of tRNA Leu , increased ribosome stalling, and activation of eIF2α phosphorylation. Thumpd1 knockout mice exhibit growth defects and sterility. Remarkably, concurrent knockout of Thumpd1 and the stress-sensing kinase Gcn2 causes penetrant postnatal lethality, indicating a critical genetic interaction. Our findings demonstrate that a modification restricted to a single position within type II cytosolic tRNAs can regulate ribosome-mediated stress signaling in mammalian organisms, with implications for our understanding of translation control as well as therapeutic interventions.

Abstract The transcriptional coactivators EP300 and CREBBP are critical regulators of gene expression that share high sequence identity but exhibit non-redundant functions in basal and pathological contexts. Here, we report the development of a bifunctional small molecule, MC-1, capable of selectively degrading EP300 over CREBBP. Using a potent aminopyridine-based inhibitor of the EP300/CREBBP catalytic domain in combination with a VHL ligand, we demonstrate that MC-1 preferentially degrades EP300 in a proteasome-dependent manner. Mechanistic studies reveal that selective degradation cannot be predicted solely by target engagement or ternary complex formation, suggesting additional factors govern paralogue-specific degradation. MC-1 inhibits cell proliferation in a subset of cancer cell lines and provides a new tool to investigate the non-catalytic functions of EP300 and CREBBP. Our findings expand the repertoire of EP300/CREBBP-targeting chemical probes and offer insights into the determinants of selective degradation of highly homologous proteins.

Abstract Robust, generalizable approaches to identify compounds efficiently with undesirable mechanisms of action in complex cellular assays remain elusive. Such a process would be useful for hit triage during high-throughput screening and, ultimately, predictive toxicology during drug development. We generated cell painting and cellular health profiles for 218 prototypical cytotoxic and nuisance compounds in U-2 OS cells in a concentration-response format. A diversity of compounds causing cellular damage produced bioactive cell painting morphologies, including cytoskeletal poisons, genotoxins, nonspecific electrophiles, and redox-active compounds. Further, we show that lower quality lysine acetyltransferase inhibitors and nonspecific electrophiles can be distinguished from more selective counterparts. We propose that the purposeful inclusion of cytotoxic and nuisance reference compounds such as those profiled in this Resource will help with assay optimization and compound prioritization in complex cellular assays like cell painting.