Aberrant regulation of metabolic kinases by altered redox homeostasis is a major contributing factor in aging and disease such as diabetes. However, the biochemical mechanisms by which metabolic kinases are regulated under oxidative stress is poorly understood. In this study, we demonstrate that the catalytic activity of a conserved family of Fructosamine-3-kinases (FN3Ks), which are evolutionarily related to eukaryotic protein kinases (ePKs), are regulated by redox active cysteines in the kinase domain. By solving the crystal structure of FN3K homolog from Arabidopsis thaliana (AtFN3K), we demonstrate that it forms an unexpected strand-exchange dimer in which the ATP binding P-loop and adjoining beta strands are swapped between two chains in the dimer. This dimeric configuration is characterized by strained inter-chain disulfide bonds that stabilize the P-loop in an extended conformation and tethers the substrate-binding lobes in a unique inactive conformation. Mutational analysis and solution studies confirm that the strained disulfides function as redox 'switches' to reversibly regulate FN3K activity and dimerization. Consistently, we find that human FN3K, which contains an equivalent P-loop Cys, is also redox sensitive, whereas ancestral bacterial FN3K homologs, which lack a P-loop Cys, are not. Furthermore, CRISPR knockout of FN3K in human HepG2 cells results in significant upregulation of redox metabolites including glutathione. We propose that redox regulation evolved progressively in FN3Ks in response to changing cellular redox conditions. Our studies provide important new insights into the origin and evolution of redox regulation in the protein kinase superfamily and open new avenues for targeting human FN3K in diabetic complications.

Skp1 is an adapter that links F-box proteins to cullin-1 in the Skp1/cullin-1/F-box (SCF) protein family of E3 ubiquitin ligases that targets specific proteins for polyubiquitination and subsequent protein degradation. Skp1 from the amoebozoan Dictyostelium forms a stable homodimer in vitro with a K d of 2.5 µM as determined by sedimentation velocity studies, yet is monomeric in crystal complexes with F-box proteins. To investigate the molecular basis for the difference, we determined the solution NMR structure of a doubly truncated Skp1 homodimer (Skp1ΔΔ). The solution structure of Skp1ΔΔ dimer reveals a 2-fold symmetry with an interface that buries ∼750 Å2 of predominantly hydrophobic surface. The dimer interface overlaps with subsite-1 of the F-box interaction area, explaining why only the Skp1 monomer binds F-box proteins (FBPs). To confirm the model, Rosetta was used to predict amino acid substitutions that might disrupt the dimer interface, and the F97E substitution was chosen to potentially minimize interference with F-box interactions. A nearly full-length version of Skp1 with this substitution (Skp1ΔF97E) behaved as a stable monomer at concentrations up to 500 µM and actively bound a model FBP, mammalian Fbs1, which suggests that the dimeric state is not required for Skp1 to carry out a basic biochemical function. Finally, Skp1ΔF97E is expected to serve as a monomer model for high-resolution NMR studies previously hindered by dimerization.* AUC : analytical ultracentrifugation FBP : F-box protein HNOE : heteronuclear NOE HSQC : heteronuclear single quantum coherence spectroscopy NOESY : nuclear Overhauser enhancement spectroscopy SCF : Skp1/cullin-1/F-box protein family of E3 ubiquitin ligases Skp1Δ : Skp1Δinternal loop Skp1ΔΔ : Skp1Δinternal loop/ΔC-terminus TEV : tobacco etch virus

Skp1, a subunit of E3 Skp1/Cullin-1/F-box protein ubiquitin ligases, is uniquely modified in protists by an O2-dependent prolyl hydroxylase that generates the attachment site for a defined pentasaccharide. Previous studies demonstrated the importance of the core glycan for growth of the parasite Toxoplasma gondii in fibroblasts, but the significance of the non-reducing terminal sugar was unknown. Here, we find that a homolog of glycogenin, an enzyme that can initiate and prime glycogen synthesis in yeast and animals, is required to catalyze the addition of an α-galactose in 3-linkage to the subterminal glucose to complete pentasaccharide assembly in cells. A strong selectivity of the enzyme (Gat1) for Skp1 in extracts is consistent with other evidence that Skp1 is the sole target of the glycosyltransferase pathway. gat1 -disruption results in slow growth attesting to the importance of the terminal sugar. Molecular dynamics simulations provide an explanation for this finding and confirm the potential of the full glycan to control Skp1 organization as in the amoebozoan Dictyostelium despite the different terminal disaccharide assembled by different glycosyltransferases. Though Gat1 also exhibits low α-glucosyltransferase activity like glycogenin, autoglycosylation is not detected and gat1 -disruption reveals no effect on starch accumulation. A crystal structure of the ortholog from the crop pathogen Pythium ultimum explains the distinct substrate preference and regiospecificity relative to glycogenin. A phylogenetic analysis suggests that Gat1 is related to the evolutionary progenitor of glycogenin, and acquired a role in glycogen formation following the ancestral disappearance of the underlying Skp1 glycosyltransferase prior to amoebozoan emergence.* DBA : Dolichos biflorus lectin Dd : Dictyostelium discoideum FBP : F-box protein GaGlFGaGn– : Galα1,3Glcα1,3Fucα1,2Galβ1,3GlcNAcα1– GalT : galactosyl transferase GT : glycosyltransferase Hyp : ( 2S , 4R )-4-hydroxy-l-proline mAb : monoclonal antibody P4H : prolyl 4-hydroxylase pAb : polyclonal antibody pNP : para-nitrophenol Pu : Pythium ultimum RHΔΔ : RHΔ ku80 Δ hxgprt SCF : Skp1/Cullin-1/F-box protein subcomplex of E3 Cullin-RING-1 ubiquitin ligases Tg : Toxoplasma gondii Ub : ubiquitin

Abstract Once considered unusual, nucleocytoplasmic glycosylation is now recognized as a conserved feature of eukaryotes. While in animals O -GlcNAc transferase (OGT) modifies thousands of intracellular proteins, the human pathogen Toxoplasma gondii transfers a different sugar, fucose, to proteins involved in transcription, mRNA processing and signaling. Knockout experiments showed that Tg SPY, an ortholog of plant SPINDLY and paralog of host OGT, is required for nuclear O -fucosylation. Here we verify that Tg SPY is the nucleocytoplasmic O -fucosyltransferase (OFT) by 1) complementation with Tg SPY-MYC 3 , 2) its functional dependence on amino acids critical for OGT activity, and 3) its ability to O -fucosylate itself and a model substrate and to specifically hydrolyze GDP-Fuc. While many of the endogenous proteins modified by O -Fuc are important for tachyzoite fitness, O -fucosylation by Tg SPY is not essential. Growth of Δ spy tachyzoites in fibroblasts is modestly affected, despite marked reductions in the levels of ectopically-expressed proteins normally modified with O -fucose. Intact Tg SPY-MYC 3 localizes to the nucleus and cytoplasm, whereas catalytic mutants often displayed reduced abundance. Δ spy tachyzoites of a luciferase-expressing type II strain exhibited infection kinetics in mice similar to wild type but increased persistence in the chronic brain phase, potentially due to an imbalance of regulatory protein levels. The modest changes in parasite fitness in vitro and in mice, despite profound effects on reporter protein accumulation, and the characteristic punctate localization of O -fucosylated proteins, suggest that Tg SPY controls the levels of proteins to be held in reserve for response to novel stresses.