Intestinal health relies on the immunosuppressive activity of CD4+ regulatory T (Treg) cells1. Expression of the transcription factor Foxp3 defines this lineage, and can be induced extrathymically by dietary or commensal-derived antigens in a process assisted by a Foxp3 enhancer known as conserved non-coding sequence 1 (CNS1)2-4. Products of microbial fermentation including butyrate facilitate the generation of peripherally induced Treg (pTreg) cells5-7, indicating that metabolites shape the composition of the colonic immune cell population. In addition to dietary components, bacteria modify host-derived molecules, generating a number of biologically active substances. This is epitomized by the bacterial transformation of bile acids, which creates a complex pool of steroids8 with a range of physiological functions9. Here we screened the major species of deconjugated bile acids for their ability to potentiate the differentiation of pTreg cells. We found that the secondary bile acid 3β-hydroxydeoxycholic acid (isoDCA) increased Foxp3 induction by acting on dendritic cells (DCs) to diminish their immunostimulatory properties. Ablating one receptor, the farnesoid X receptor, in DCs enhanced the generation of Treg cells and imposed a transcriptional profile similar to that induced by isoDCA, suggesting an interaction between this bile acid and nuclear receptor. To investigate isoDCA in vivo, we took a synthetic biology approach and designed minimal microbial consortia containing engineered Bacteroides strains. IsoDCA-producing consortia increased the number of colonic RORγt-expressing Treg cells in a CNS1-dependent manner, suggesting enhanced extrathymic differentiation.

Abstract Peroxisomes play an essential role in the β-oxidation of dicarboxylic acids (DCAs), which are metabolites formed upon ω-oxidation of fatty acids. Genetic evidence linking transporters and enzymes to specific DCA β-oxidation steps is generally lacking. Moreover, the physiological functions of DCA metabolism remain largely unknown. In this study, we aimed to characterize the DCA β-oxidation pathway in human cells, and to evaluate the biological role of DCA metabolism using mice deficient in the peroxisomal L-bifunctional protein ( Ehhadh KO mice). In vitro experiments using HEK-293 KO cell lines demonstrate that ABCD3 and ACOX1 are essential in DCA β-oxidation, whereas both the bifunctional proteins (EHHADH and HSD17B4) and the thiolases (ACAA1 and SCPx) have overlapping functions and their contribution may depend on expression level. We also show that medium-chain 3-hydroxydicarboxylic aciduria is a prominent feature of EHHADH deficiency in mice most notably upon inhibition of mitochondrial fatty acid oxidation. Using stable isotope tracing methodology, we confirmed that products of peroxisomal DCA β-oxidation can be transported to mitochondria for further metabolism. Finally, we show that, in liver, Ehhadh KO mice have increased mRNA and protein expression of cholesterol biosynthesis enzymes with decreased (in females) or similar (in males) rate of cholesterol synthesis. We conclude that EHHADH plays an essential role in the metabolism of medium-chain DCAs and postulate that peroxisomal DCA β-oxidation is a regulator of hepatic cholesterol biosynthesis.

Abstract Glutaric Aciduria Type 1 (GA1) is a serious inborn error of metabolism with no pharmacological treatments. A novel strategy to treat this disease is to divert the toxic biochemical intermediates to less toxic or non-toxic metabolites. Here, we report a novel target, SUGCT, which we hypothesize suppresses the GA1 metabolic phenotype through decreasing glutaryl-CoA. We report the structure of SUGCT, the first eukaryotic structure of a type III CoA transferase, develop a high-throughput enzyme assay and a cell-based assay, and identify valsartan and losartan carboxylic acid as inhibitors of the enzyme validating the screening approach. These results may form the basis for future development of new pharmacological intervention to treat GA1.

ABSTRACT Impaired reduction/oxidation (redox) metabolism is a key contributor to the etiology of many diseases, including primary mitochondrial disorders, cancer, neurodegeneration, and aging. However, mechanistic studies of redox imbalance remain challenging due to limited strategies which can perturb cellular redox metabolism and model pathology in various cellular, tissue, or organismal backgrounds without creating additional and potentially confounding metabolic perturbations. To date, most studies involving impaired redox metabolism have focused on oxidative stress and reactive oxygen species (ROS) production; consequently, less is known about the settings where there is an overabundance of reducing equivalents, termed reductive stress. NADH reductive stress has been modeled using pharmacologic inhibition of the electron transport chain (ETC) and ethanol supplementation. Still, both these methods have significant drawbacks. Here, we introduce a soluble transhydrogenase from E. coli ( Ec STH) as a novel genetically encoded tool to promote NADH overproduction in living cells. When expressed in mammalian cells, Ec STH, and a mitochondrially-targeted version (mito Ec STH), can elevate the NADH/NAD + ratio in a compartment-specific manner. Using this tool, we determine the metabolic and transcriptomic signatures of NADH reductive stress in mammalian cells. We also find that cellular responses to NADH reductive stress, including blunted proliferation, are dependent on cellular background and identify the metabolic reactions that sense changes in the cellular NADH/NAD + balance. Collectively, our novel genetically encoded tool represents an orthogonal strategy to perturb redox metabolism and characterize the impact on normal physiology and disease states.

Glutaric Aciduria Type 1 (GA1) is a serious inborn error of metabolism with no pharmacological treatments. A novel strategy to treat this disease is to divert the toxic biochemical intermediates to less toxic or nontoxic metabolites. Here, we report a putative novel target, succinyl-CoA:glutarate-CoA transferase (SUGCT), which we hypothesize suppresses the GA1 metabolic phenotype through decreasing glutaryl-CoA and the derived 3-hydroxyglutaric acid. SUGCT is a type III CoA transferase that uses succinyl-CoA and glutaric acid as substrates. We report the structure of SUGCT, develop enzyme- and cell-based assays, and identify valsartan and losartan carboxylic acid as inhibitors of the enzyme in a high-throughput screen of FDA-approved compounds. The cocrystal structure of SUGCT with losartan carboxylic acid revealed a novel pocket in the active site and further validated the high-throughput screening approach. These results may form the basis for the future development of new pharmacological intervention to treat GA1.