Reversible posttranslational modifications are emerging as critical regulators of mitochondrial proteins and metabolism. Here, we use a label-free quantitative proteomic approach to characterize the lysine succinylome in liver mitochondria and its regulation by the desuccinylase SIRT5. A total of 1,190 unique sites were identified as succinylated, and 386 sites across 140 proteins representing several metabolic pathways including β-oxidation and ketogenesis were significantly hypersuccinylated in Sirt5−/− animals. Loss of SIRT5 leads to accumulation of medium- and long-chain acylcarnitines and decreased β-hydroxybutyrate production in vivo. In addition, we demonstrate that SIRT5 regulates succinylation of the rate-limiting ketogenic enzyme 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA synthase 2 (HMGCS2) both in vivo and in vitro. Finally, mutation of hypersuccinylated residues K83 and K310 on HMGCS2 to glutamic acid strongly inhibits enzymatic activity. Taken together, these findings establish SIRT5 as a global regulator of lysine succinylation in mitochondria and present a mechanism for inhibition of ketogenesis through HMGCS2.

Protein acylation links energetic substrate flux with cellular adaptive responses. SIRT5 is a NAD+-dependent lysine deacylase and removes both succinyl and malonyl groups. Using affinity enrichment and label free quantitative proteomics, we characterized the SIRT5-regulated lysine malonylome in wild-type (WT) and Sirt5−/− mice. 1,137 malonyllysine sites were identified across 430 proteins, with 183 sites (from 120 proteins) significantly increased in Sirt5−/− animals. Pathway analysis identified glycolysis as the top SIRT5-regulated pathway. Importantly, glycolytic flux was diminished in primary hepatocytes from Sirt5−/− compared to WT mice. Substitution of malonylated lysine residue 184 in glyceraldehyde 3-phosphate dehydrogenase with glutamic acid, a malonyllysine mimic, suppressed its enzymatic activity. Comparison with our previous reports on acylation reveals that malonylation targets a different set of proteins than acetylation and succinylation. These data demonstrate that SIRT5 is a global regulator of lysine malonylation and provide a mechanism for regulation of energetic flux through glycolysis.

Abstract The post-translational modification, lysine succinylation is implicated in the regulation of various metabolic pathways. However, its biological relevance remains uncertain due to methodological difficulties in determining high-impact succinylation sites. In the present study, using stable isotope labeling and data-independent acquisition mass spectrometry, we quantified lysine succinylation stoichiometries in mouse livers. Despite the low overall stoichiometry of lysine succinylation, several high stoichiometry sites were identified, especially upon deletion of the desuccinylase SIRT5. In particular, multiple high stoichiometry lysine sites identified in argininosuccinate synthase (ASS1), a key enzyme in urea cycle, are regulated by SIRT5. Mutation of the high stoichiometry lysine in ASS1 to succinyl-mimetic glutamic acid significantly decreased its enzymatic activity. Metabolomics profiling confirms that SIRT5 deficiency decreases urea cycle activity in liver. Importantly, SIRT5 deficiency compromises ammonia tolerance and reduces locomotor and exploratory activity in male mice upon high-ammonium diet feeding. Therefore, lysine succinylation is functionally important in ammonia metabolism.

A bstract Just as a phylogeny encodes the evolutionary relationships among a group of organisms, a cophylogeny represents the coevolutionary relationships among symbiotic partners. Both are widely used to investigate a range of topics in evolutionary biology and beyond. Both are also primarily reconstructed using computational analysis of biomolecular sequence data as well as other biological character data. The most widely used cophylogenetic reconstruction methods utilize an important simplifying assumption: species phylogenies for each set of coevolved taxa are required as input and assumed to be correct. Many theoretical and experimental studies have shown that this assumption is rarely – if ever – satisfied, and the consequences for cophylogenetic studies are poorly understood. To address this gap, we conduct a comprehensive performance study that quantifies the relationship between species tree estimation error and downstream cophylogenetic estimation accuracy. The study includes performance benchmarking using in silico model-based simulations. Our investigation also includes assessments of cophylogenetic reproducibility using genomic sequence datasets sampled from two important models of symbiosis: soil-associated fungi and their endosymbiotic bacteria, and bobtail squid and their bioluminescent bacterial symbionts. Our findings conclusively demonstrate the major impact that upstream phylogenetic estimation error has on downstream cophylogenetic reconstruction quality.