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.

Anabolic metabolism of carbon in mammals is mediated via the one and two carbon carriers S-adenosyl methionine and acetyl-coenzyme A (acetyl-CoA). In contrast, anabolic metabolism using three carbon units via propionyl-CoA is not thought to occur. Mammals are primarily thought to oxidize 3-carbon units by shunting propionyl-CoA to succinyl-CoA for entry into the TCA cycle. We found that this may not be absolute and that in mammals one non-oxidative fate of two units of propionyl-CoA is to condense to a six-carbon trans-2-methyl-2-pentenoyl-CoA (2M2PE-CoA). Using ex vivo isotope tracing, we found that 2M2PE-CoA formed in human myocardial tissue incubated with propionate. In whole-body in vivo stable isotope tracing with infusion of 13C-labeled valine achieving steady state, 2M2PE-CoA formed via propionyl-CoA in multiple murine tissues including heart, kidney, and to a lesser degree in brown adipose tissue, liver, and tibialis anterior muscle. These results confirm the in vivo existence of at least one anabolic three to six carbon reaction conserved in humans and mice that utilizes three carbons via propionate.

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.