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.

Vaccines prevent infectious disease largely by inducing protective neutralizing antibodies against vulnerable epitopes. Several major pathogens have resisted traditional vaccine development, although vulnerable epitopes targeted by neutralizing antibodies have been identified for several such cases. Hence, new vaccine design methods to induce epitope-specific neutralizing antibodies are needed. Here we show, with a neutralization epitope from respiratory syncytial virus, that computational protein design can generate small, thermally and conformationally stable protein scaffolds that accurately mimic the viral epitope structure and induce potent neutralizing antibodies. These scaffolds represent promising leads for the research and development of a human respiratory syncytial virus vaccine needed to protect infants, young children and the elderly. More generally, the results provide proof of principle for epitope-focused and scaffold-based vaccine design, and encourage the evaluation and further development of these strategies for a variety of other vaccine targets, including antigenically highly variable pathogens such as human immunodeficiency virus and influenza. Computational protein design methods are used to generate new candidates for a human respiratory syncytial virus (RSV) vaccine; artificial protein scaffolds that mimic the structure of a RSV epitope are shown to induce RSV-specific neutralizing antibodies in macaques. William Schief and colleagues explore computational protein design methods to generate novel candidates for a human respiratory syncytial virus (RSV) vaccine. Artificial protein scaffolds that mimic the structure of an RSV epitope or antigenic determinant are shown to induce RSV-neutralizing antibodies in macaques. The protein design method used here, that builds a protein around a functional motif in order to stabilize the conformation of that motif, could have broad application in vaccine development.

Genetic analysis of breakthrough infections in people vaccinated against HIV-1 show that vaccine efficacy increased by up to 80% against viruses carrying two mutations in Env V2, but also raises the possibility of population-level adaptation to the vaccine. A major clinical trial involving more than 16,000 volunteers, known as the RV144 trial, tested a combination of two vaccines (ALVAC-HIV and AIDSVAX B/E gp120) for its ability to prevent HIV infection, as well as for safety. The vaccine was 31% effective against HIV-1 infection, and antibodies against the HIV-1 envelope variable loop 1 and 2 (V1/V2) domain correlated inversely with infection risk. Rolland et al. present a genetic analysis of breakthrough infections in RV144 trial participants and identify signatures associated with vaccine-induced immune pressure, thereby gaining support for a causal relationship between vaccination and protection. Viral amino-acid changes at positions 169 and 181 in the second variable loop of the viral envelope are shown to be most associated with efficacy — and represent possible targets for future vaccines. The RV144 trial demonstrated 31% vaccine efficacy at preventing human immunodeficiency virus (HIV)-1 infection1. Antibodies against the HIV-1 envelope variable loops 1 and 2 (Env V1 and V2) correlated inversely with infection risk2. We proposed that vaccine-induced immune responses against V1/V2 would have a selective effect against, or sieve, HIV-1 breakthrough viruses. A total of 936 HIV-1 genome sequences from 44 vaccine and 66 placebo recipients were examined. We show that vaccine-induced immune responses were associated with two signatures in V2 at amino acid positions 169 and 181. Vaccine efficacy against viruses matching the vaccine at position 169 was 48% (confidence interval 18% to 66%; P = 0.0036), whereas vaccine efficacy against viruses mismatching the vaccine at position 181 was 78% (confidence interval 35% to 93%; P = 0.0028). Residue 169 is in a cationic glycosylated region recognized by broadly neutralizing and RV144-derived antibodies. The predicted distance between the two signature sites (21 ± 7 Å) and their match/mismatch dichotomy indicate that multiple factors may be involved in the protection observed in RV144. Genetic signatures of RV144 vaccination in V2 complement the finding of an association between high V1/V2-binding antibodies and reduced risk of HIV-1 acquisition, and provide evidence that vaccine-induced V2 responses plausibly had a role in the partial protection conferred by the RV144 regimen.

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.

The manipulation of protein backbone structure to control interaction and function is a challenge for protein engineering. We integrated computational design with experimental selection for grafting the backbone and side chains of a two-segment HIV gp120 epitope, targeted by the cross-neutralizing antibody b12, onto an unrelated scaffold protein. The final scaffolds bound b12 with high specificity and with affinity similar to that of gp120, and crystallographic analysis of a scaffold bound to b12 revealed high structural mimicry of the gp120-b12 complex structure. The method can be generalized to design other functional proteins through backbone grafting.

Abstract The posttranslational modification lysine malonylation is found in many proteins, including histones. However, it remains unclear whether histone malonylation is regulated or functionally relevant. Here, we report that availability of malonyl-co-enzyme A (malonyl-CoA), an endogenous provider of malonyl groups, affects lysine malonylation, and that the deacylase SIRT5 selectively reduces malonylation of histones. To determine if histone malonylation is enzymatically catalyzed, we knocked down each of the 22 lysine acetyltransferases (KATs) to test their malonyltransferase potential. KAT2A knockdown in particular reduced histone malonylation levels. By mass spectrometry, H2B_K5 was highly malonylated and significantly regulated by SIRT5 in mouse brain and liver. Acetyl-CoA carboxylase (ACC), the malonyl-CoA producing enzyme, was partly localized in the nucleolus, and histone malonylation increased nucleolar area and ribosomal RNA expression. Levels of global lysine malonylation and ACC expression were higher in older mouse brains than younger mice. These experiments highlight the role of histone malonylation in ribosomal gene expression.

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.

Abstract Lysine Nε-acylations, such as acetylation or succinylation, are post-translational modifications that regulate protein function. In mitochondria, lysine acylation is predominantly non-enzymatic, and only a specific subset of the proteome is acylated. Coenzyme A (CoA) can act as an acyl group carrier via a thioester bond, but what controls the acylation of mitochondrial lysines remains poorly understood. Using published datasets, here we found that proteins with a CoA-binding site are more likely to be acetylated, succinylated, and glutarylated. Using computational modeling, we show that lysine residues near the CoA-binding pocket are highly acylated compared to those farther away. We hypothesized that acyl-CoA binding enhances acylation of nearby lysine residues. To test this hypothesis, we co-incubated enoyl-CoA hydratase short chain 1 (ECHS1), a CoA-binding mitochondrial protein, with succinyl-CoA and CoA. Using mass spectrometry, we found that succinyl-CoA induced widespread lysine succinylation and that CoA competitively inhibited ECHS1 succinylation. CoA-induced inhibition at a particular lysine site correlated inversely with the distance between that lysine and the CoA-binding pocket. Our study indicated that CoA acts as a competitive inhibitor of ECHS1 succinylation by binding to the CoA-binding pocket. Together, this suggests that proximal acylation at CoA-binding sites is a primary mechanism for lysine acylation in the mitochondria.