The essential mammalian enzyme O-linked β-N-acetylglucosamine transferase (O-GlcNAc transferase, here OGT) couples metabolic status to the regulation of a wide variety of cellular signalling pathways by acting as a nutrient sensor. OGT catalyses the transfer of N-acetylglucosamine from UDP-N-acetylglucosamine (UDP-GlcNAc) to serines and threonines of cytoplasmic, nuclear and mitochondrial proteins, including numerous transcription factors, tumour suppressors, kinases, phosphatases and histone-modifying proteins. Aberrant glycosylation by OGT has been linked to insulin resistance, diabetic complications, cancer and neurodegenerative diseases including Alzheimer's. Despite the importance of OGT, the details of how it recognizes and glycosylates its protein substrates are largely unknown. We report here two crystal structures of human OGT, as a binary complex with UDP (2.8 Å resolution) and as a ternary complex with UDP and a peptide substrate (1.95 Å). The structures provide clues to the enzyme mechanism, show how OGT recognizes target peptide sequences, and reveal the fold of the unique domain between the two halves of the catalytic region. This information will accelerate the rational design of biological experiments to investigate OGT's functions; it will also help the design of inhibitors for use as cellular probes and help to assess its potential as a therapeutic target.

O-GlcNAc transferase (OGT) is an essential mammalian enzyme that regulates numerous cellular processes through the attachment of O-linked N-acetylglucosamine (O-GlcNAc) residues to nuclear and cytoplasmic proteins. Its targets include kinases, phosphatases, transcription factors, histones, and many other intracellular proteins. The biology of O-GlcNAc modification is still not well understood, and cell-permeable inhibitors of OGT are needed both as research tools and for validating OGT as a therapeutic target. Here, we report a small molecule OGT inhibitor, OSMI-1, developed from a high-throughput screening hit. It is cell-permeable and inhibits protein O-GlcNAcylation in several mammalian cell lines without qualitatively altering cell surface N- or O-linked glycans. The development of this molecule validates high-throughput screening approaches for the discovery of glycosyltransferase inhibitors, and further optimization of this scaffold may lead to yet more potent OGT inhibitors useful for studying OGT in animal models.

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.

DHTKD1 is the E1 component of the 2-oxoadipic acid dehydrogenase complex (OADHc), which functions in the L-lysine degradation pathway. Mutations in DHTKD1 have been associated with 2-aminoadipic and 2-oxoadipic aciduria, Charcot-Marie-Tooth disease type 2Q (CMT2Q) and eosinophilic esophagitis (EoE). A crystal structure and inhibitors of DHTKD1 could improve the understanding of these clinically distinct disorders, but are currently not available. Here we report the identification of adipoylphosphonic acid and tenatoprazole as DHTKD1 inhibitors using targeted and high throughput screening, respectively. We furthermore elucidate the DHTKD1 crystal structure with thiamin diphosphate bound at 2.1 Å. The protein assembles as a dimer with residues from both monomers contributing to cofactor binding. We also report the impact of ten DHTKD1 missense mutations on the encoded proteins by enzyme kinetics, thermal stability and structural modeling. Some DHTKD1 variants displayed impaired folding (S777P and S862I), whereas other substitutions rendered the enzyme inactive (L234G, R715C and R455Q) or affected the thermal stability and catalytic efficiency (V360A and P773L). Three variants (R163Q, Q305H and G729R) surprisingly showed wild type like properties. Our work provides a structural basis for further understanding of the function of DHTKD1 and a starting point for selective small molecule inhibitors of the enzyme, which could help tease apart the role of this enzyme in several human pathologies.

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.

ABSTRACT In humans, a single enzyme 2-aminoadipic semialdehyde synthase (AASS) catalyzes the initial two critical reactions in the lysine degradation pathway. This enzyme evolved to be a bifunctional enzyme with both lysine 2-oxoglutarate reductase (LOR) and saccharopine dehydrogenase domains (SDH). Moreover, AASS is a unique drug target for metabolic genetic diseases such as glutaric aciduria type 1 that arise from deficiencies downstream in the lysine degradation pathway. While work has been done to elucidate the SDH domain structurally and to develop inhibitors, neither has been done for the LOR domain. Here, we purify and characterize LOR, show that AASS is rate-limiting upon high lysine exposure of mice, and present the crystal structure of the human LOR domain, which should enable future efforts to identify inhibitors of this novel drug target.

Abstract Processing of RNA is a key regulatory mechanism for all living systems. Escherichia coli protein YicC belongs to the well-conserved YicC family and has been identified as a novel ribonuclease. Here, we report a 2.8-Å-resolution crystal structure of the E. coli YicC apo protein and a 3.2-Å-cryo-EM structure of YicC bound to an RNA substrate. The apo YicC forms a dimer of trimers with a large open channel. In the RNA-bound form, the top trimer of YicC rotates nearly 70° and closes the RNA substrate inside the cavity to form a clamshell-pearl conformation that resembles no other known RNases. The structural information combined with mass spectrometry and biochemical data identified cleavage on the upstream side of an RNA hairpin. Mutagenesis studies demonstrated that the previously uncharacterized domain, DUF1732, is critical in both RNA binding and catalysis. These studies shed light on the mechanism of the previously unexplored YicC RNase family.