Mammalian sirtuins (SIRT1 through SIRT7) are members of a highly conserved family of NAD+-dependent protein deacetylases that function in metabolism, genome maintenance, and stress responses. Emerging evidence suggests that some sirtuins display substrate specificity toward other acyl groups attached to the lysine ϵ-amine. SIRT6 was recently reported to preferentially hydrolyze long-chain fatty acyl groups over acetyl groups. Here we investigated the catalytic ability of all sirtuins to hydrolyze 13 different acyl groups from histone H3 peptides, ranging in carbon length, saturation, and chemical diversity. We find that long-chain deacylation is a general feature of mammalian sirtuins, that SIRT1 and SIRT2 act as efficient decrotonylases, and that SIRT1, SIRT2, SIRT3, and SIRT4 can remove lipoic acid. These results provide new insight into sirtuin function and a means for cellular removal of an expanding list of endogenous lysine modifications. Given that SIRT6 is a poor deacetylase in vitro, but binds and prefers to hydrolyze long-chain acylated peptides, we hypothesize that binding of certain free fatty acids (FFAs) could stimulate deacetylation activity. Indeed, we demonstrate that several biologically relevant FFAs (including myristic, oleic, and linoleic acids) at physiological concentrations induce up to a 35-fold increase in catalytic efficiency of SIRT6 but not SIRT1. The activation mechanism is consistent with fatty acid inducing a conformation that binds acetylated H3 with greater affinity. Binding of long-chain FFA and myristoylated H3 peptide is mutually exclusive. We discuss the implications of discovering endogenous, small-molecule activators of SIRT6.Background: Sirtuins regulate metabolism, genome maintenance, and stress responses.Results: Long-chain free fatty acids stimulate SIRT6 deacetylase, and sirtuins display distinct but overlapping specificity for diverse acylated peptides.Conclusion: SIRT6 is activated by biologically relevant fatty acids, and long-chain deacylation is a general feature of sirtuins.Significance: Discovery of endogenous, small-molecule activators of SIRT6 demonstrates the therapeutic potential of compounds that promote SIRT6 function. Mammalian sirtuins (SIRT1 through SIRT7) are members of a highly conserved family of NAD+-dependent protein deacetylases that function in metabolism, genome maintenance, and stress responses. Emerging evidence suggests that some sirtuins display substrate specificity toward other acyl groups attached to the lysine ϵ-amine. SIRT6 was recently reported to preferentially hydrolyze long-chain fatty acyl groups over acetyl groups. Here we investigated the catalytic ability of all sirtuins to hydrolyze 13 different acyl groups from histone H3 peptides, ranging in carbon length, saturation, and chemical diversity. We find that long-chain deacylation is a general feature of mammalian sirtuins, that SIRT1 and SIRT2 act as efficient decrotonylases, and that SIRT1, SIRT2, SIRT3, and SIRT4 can remove lipoic acid. These results provide new insight into sirtuin function and a means for cellular removal of an expanding list of endogenous lysine modifications. Given that SIRT6 is a poor deacetylase in vitro, but binds and prefers to hydrolyze long-chain acylated peptides, we hypothesize that binding of certain free fatty acids (FFAs) could stimulate deacetylation activity. Indeed, we demonstrate that several biologically relevant FFAs (including myristic, oleic, and linoleic acids) at physiological concentrations induce up to a 35-fold increase in catalytic efficiency of SIRT6 but not SIRT1. The activation mechanism is consistent with fatty acid inducing a conformation that binds acetylated H3 with greater affinity. Binding of long-chain FFA and myristoylated H3 peptide is mutually exclusive. We discuss the implications of discovering endogenous, small-molecule activators of SIRT6. Background: Sirtuins regulate metabolism, genome maintenance, and stress responses. Results: Long-chain free fatty acids stimulate SIRT6 deacetylase, and sirtuins display distinct but overlapping specificity for diverse acylated peptides. Conclusion: SIRT6 is activated by biologically relevant fatty acids, and long-chain deacylation is a general feature of sirtuins. Significance: Discovery of endogenous, small-molecule activators of SIRT6 demonstrates the therapeutic potential of compounds that promote SIRT6 function. SIRT6's Histone Deacetylase Activity Is Triggered by Free Fatty Acids♦: Activation of the Protein Deacetylase SIRT6 by Long-chain Fatty Acids and Widespread Deacylation by Mammalian SirtuinsJournal of Biological ChemistryVol. 288Issue 43Preview♦ See referenced article, J. Biol. Chem. 2013, 288, 31350–31356 Full-Text PDF Open Access

Cellular senescence, a stress-induced stable proliferation arrest associated with an inflammatory Senescence-Associated Secretory Phenotype (SASP), is a cause of aging. In senescent cells, Cytoplasmic Chromatin Fragments (CCFs) activate SASP via the anti-viral cGAS/STING pathway. PML protein organizes PML nuclear bodies (NBs), also involved in senescence and anti-viral immunity. The HIRA histone H3.3 chaperone localizes to PML NBs in senescent cells. Here, we show that HIRA and PML are essential for SASP expression, tightly linked to HIRA's localization to PML NBs. Inactivation of HIRA does not directly block expression of NF-κB target genes. Instead, an H3.3-independent HIRA function activates SASP through a CCF-cGAS-STING-TBK1-NF-κB pathway. HIRA physically interacts with p62/SQSTM1, an autophagy regulator and negative SASP regulator. HIRA and p62 co-localize in PML NBs, linked to their antagonistic regulation of SASP, with PML NBs controlling their spatial configuration. These results outline a role for HIRA and PML in regulation of SASP.

Abstract Although in vitro fertilization (IVF) is associated with adverse perinatal outcomes, an increasing concern is the long-term health implications. We augmented our IVF mouse model to longitudinally investigate cardiometabolic outcomes in offspring from optimal neonatal litter sizes. We found that IVF-conceived females had higher body weight and cholesterol levels compared to naturally-conceived females, whereas IVF-conceived males had higher levels of triglycerides and insulin, and increased body fat composition. Through transcriptomics and proteomics of adult liver, we identified sexually-dimorphic dysregulation of the sterol regulatory element binding protein (SREBP) pathways that are associated with the sex-specfic phenotypes. We also found that global loss of DNA methylation in placenta was linked to higher cholesterol levels in IVF-conceived females. Our findings indicate that IVF procedures have long-lasting sex-specific effects on metabolic health of offspring and lay the foundation to utilize the placenta as a predictor of long-term outcomes.

Abstract Protein translational control is highly regulated step in the gene expression program during mammalian development that is critical for ensuring that the fetus develops correctly and that all of the necessary organs and tissues are formed and functional. Defects in protein expression during fetal development can lead to severe developmental abnormalities or premature death. Currently, quantitative techniques to monitor protein synthesis rates in a developing fetus ( in utero ) are limited. Here, we developed a novel in utero stable isotope labeling approach to quantify tissue-specific protein dynamics of the nascent proteome during mouse fetal development. Fetuses of pregnant C57BL/6J mice were injected with isotopically labeled lysine (Lys8) and arginine (Arg10) via the vitelline vein at various gestational days. After treatment, fetal organs/tissues including brain, liver, lung, and heart were harvested for sample preparation and proteomic analysis. We show that the mean incorporation rate for injected amino acids into all organs was 17.50 ± 0.6%. By analyzing the nascent proteome, unique signatures of each tissue were identified by hierarchical clustering. In addition, the quantified proteome-wide turnover rates (k obs ) were calculated between 3.81E-5 and 0.424 hour -1 . We observed similar protein turnover profiles for analyzed organs ( e.g. , liver versus brain), however, their distributions of turnover rates vary significantly. The translational kinetic profiles of developing organs displayed differentially expressed protein pathways and synthesis rates which correlated with known physiological changes during mouse development.

Cellular senescence, a stress-induced stable proliferation arrest associated with an inflammatory senescence-associated secretory phenotype (SASP), is a cause of aging. In senescent cells, cytoplasmic chromatin fragments (CCFs) activate SASP via the anti-viral cGAS/STING pathway. Promyelocytic leukemia (PML) protein organizes PML nuclear bodies (NBs), which are also involved in senescence and anti-viral immunity. The HIRA histone H3.3 chaperone localizes to PML NBs in senescent cells. Here, we show that HIRA and PML are essential for SASP expression, tightly linked to HIRA's localization to PML NBs. Inactivation of HIRA does not directly block expression of nuclear factor κB (NF-κB) target genes. Instead, an H3.3-independent HIRA function activates SASP through a CCF-cGAS-STING-TBK1-NF-κB pathway. HIRA physically interacts with p62/SQSTM1, an autophagy regulator and negative SASP regulator. HIRA and p62 co-localize in PML NBs, linked to their antagonistic regulation of SASP, with PML NBs controlling their spatial configuration. These results outline a role for HIRA and PML in the regulation of SASP.

Protein acetylation is a widespread post-translational modification implicated in many cellular processes. Recent advances in mass spectrometry have enabled the cataloging of thousands of sites throughout the cell, however identifying regulatory acetylation marks have proven to be a daunting task. Knowledge of the kinetics and stoichiometry of site-specific acetylation are important factors to uncover function. Here, an improved method of quantifying acetylation stoichiometry was developed and validated, providing a detailed landscape of dynamic acetylation stoichiometry within cellular compartments. The dynamic nature of site-specific acetylation in response to serum stimulation was revealed. In two distinct human cell lines, growth factor stimulation led to site-specific, temporal acetylation changes, revealing diverse kinetic profiles that clustered into several groups. Overlap of dynamic acetylation sites among two different human cell lines suggested similar regulatory control points across major cellular pathways that include splicing, translation, and protein homeostasis. Rapid increases in acetylation on protein translational machinery suggest a positive regulatory role under pro-growth conditions. Lastly, higher median stoichiometry was observed in cellular compartments where active acetyltransferases are well-described.