Mechanism and dynamics of acyl-CoA mediated protein lysine acylation in mitochondria

Abstract

Mitochondrien repräsentieren zelluläre Organellen mit einem hohen Gehalt an acetylierten Proteinen, im Vergleich zu anderen zellulären Kompartimenten. Im Mitochondrium angesiedelte Lysin-Acetyltransferasen sind jedoch nicht bekannt. Hier zeigen wir, dass Acetylierung, ebenso wie andere Acylierungen, spontane Prozesse darstellen, die vom pH-Wert, der Acyl-CoA-Konzentration und dem chemischen Charakter des Acylrestes abhängen. Im Falle eines kurzen Peptidsubstrates, abgeleitet von der Carbamoylphosphat-Synthetase 1, zeigen dicarboxylierte-Acylgruppen den höchsten Grad an Reaktivität. Die Reaktivität der CoA-Thioester nimmt mit Verlängerung der Acylkette ab. Diese Ergebnisse wurden durch Nutzung von Cyclophilin A als Proteinsubstrat bestätigt. Deacylierungsexperimente zeigten, dass SIRT3 eine Lysin-Deacetylaseaktivität besitzt, jedoch nicht in der Lage ist, Succinylgruppen von CypA zu entfernen. SIRT5 stellt hingegen eine effiziente Lysin-Desuccinylase dar. Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass wir bislang nicht den überzeugenden Beweis für die Existenz einer mitochondrialen Lysin-Acetyltransferase haben, schlussfolgern wir, dass die Acylierungsvielfalt an Lysinresten wahrscheinlich stark von der enzymatischen Aktivität der Sirtuine und/oder der Verfügbarkeit und Reaktivität bestimmter Acyl-CoA-Thioester abhängt.

Mitochondria represent cellular organelles with a high level of acetylated proteins in comparison to other cellular compartments but mitochondrial residential lysine acetyltransferases have not been recognized. Here we show that acetylation, as well as other acylations are spontaneous processes that depend on pH value, acyl-CoA concentration and the chemical nature of the acyl residue. In the case of short peptide substrate derived from carbamoyl phosphate synthetase 1, dicarboxylic acyl groups show highest level of reactivity. Reactivities of the CoA-thioesters decrease with extending the acyl chain. These results were confirmed by using the protein substrate cyclophilin A. Deacylation experiments revealed that SIRT3 exhibits deacetylase activity but is not able to remove any of the succinyl group from cyclophilinA, whereas SIRT5 is an efficient protein desuccinylase. Considering that we have not found convincing evidence about existence of mitochondrial lysine acetyltransferase so far, it leads to conclusion that acylation landscape on the lysine residues might largely depend on the enzymatic activities of sirtuins and availability and/or reactivity of certain acyl-CoA thioesters.