Energy homeostasis is disrupted with age, which then fuels multiple age-related pathologies. The AMP-activated protein kinase (AMPK) is the primary sensor of cellular energy in eukaryotes. However, the genetic regulation of vertebrate aging by AMPK remains poorly understood. Here, we manipulate energy levels in the turquoise killifish by mutating APRT , a key enzyme in AMP biosynthesis. These manipulations produced a male-specific lifespan extension and restored metabolic plasticity. Exploring the observed sex differences using an integrated omics approach implicated the mitochondria as an important player. Mechanistically, APRT regulated mitochondrial functions and AMPK activity, mimicking energy starvation in heterozygous cells. A fasting-like state was also detected, particularly in heterozygous males, which leads to resistance to high-fat diet. Finally, life-long intermittent fasting eliminated the male-specific longevity benefits mediated by the APRT mutation. These observations identify the AMP/AMPK axis as a sex-specific regulator of vertebrate longevity and metabolic health.

Abstract The global population is growing older. As age is a primary risk factor of (multi)morbidity, there is a need for novel indicators to predict, track, treat and prevent the development of disease. Lifestyle interventions have shown promising results in improving the health of participants and reducing the risk for disease, but in the elderly population, such interventions often show less reliable or subtle effects on health outcomes. This is further complicated by a poor understanding of the homeodynamics and the molecular effects of lifestyle interventions, by which their effects of a lifestyle intervention remain obscured. In the Growing Old Together (GOTO) study, we examined the responses of 164 healthy, elderly men and women to a 13-week combined physical and dietary lifestyle intervention. In addition to collecting blood samples at a fasted state, we sampled blood also 30 minutes following a standardized meal. This allows us to investigate an intervention response not only in the traditional fasted state, but also in the blood metabolic and cellular responses to a nutrient challenge. We investigated the transcriptomic and metabolomic responses to this nutrient challenge, how these responses relate to each other, and how this response is affected by the lifestyle intervention. We find that the intervention has very little effect on the fasted blood transcriptome, but that the nutrient challenge induces a large translational inhibition, and an innate immune activation, which together comprise a cellular stress response that is stimulated by the intervention. A sex-specific analysis reveals that although the same set of genes respond in the same direction in both males and females, the magnitude of these effects differ, and are modulated differently by the intervention. On the other hand, the metabolomic response to the nutrient challenge is largely unaffected by the intervention, and the correlation between the metabolomic nutrient response and transcriptomic modules indicates that the change in transcriptomic response to the nutrient challenge is independent from a change in cellular metabolomic environment. This work constitutes a glance at the acute transcriptomic stress response to nutrient intake in blood, and how a lifestyle intervention affects this response in healthy elderly, and may lead to the development of novel biomarkers to capture the phenotypic flexibility of health.

Genetic risk factors often localize in non-coding regions of the genome with unknown effects on disease etiology. Expression quantitative trait loci (eQTLs) help to explain the regulatory mechanisms underlying the association of genetic risk factors with disease. More mechanistic insights can be derived from knowledge of the context, such as cell type or the activity of signaling pathways, influencing the nature and strength of eQTLs. Here, we generated peripheral blood RNA-seq data from 2,116 unrelated Dutch individuals and systematically identified these context-dependent eQTLs using a hypothesis-free strategy that does not require prior knowledge on the identity of the modifiers. Out of the 23,060 significant cis-regulated genes (false discovery rate ≤ 0.05), 2,743 genes (12%) show context-dependent eQTL effects. The majority of those were influenced by cell type composition, revealing eQTLs that are particularly strong in cell types such as CD4+ T-cells, erythrocytes, and even lowly abundant eosinophils. A set of 145 cis-eQTLs were influenced by the activity of the type I interferon signaling pathway and we identified several cis-eQTLs that are modulated by specific transcription factors that bind to the eQTL SNPs. This demonstrates that large-scale eQTL studies in unchallenged individuals can complement perturbation experiments to gain better insight in regulatory networks and their stimuli.

High blood pressure is the foremost heritable global risk factor for cardiovascular disease. We report the largest genetic association study of blood pressure traits to date (systolic, diastolic, pulse pressure) in over one million people of European ancestry. We identify 535 novel blood pressure loci that not only offer new biological insights into blood pressure regulation but also reveal shared loci influencing lifestyle exposures. Our findings offer the potential for a precision medicine strategy for future cardiovascular disease prevention.

Most disease associated genetic risk factors are non-coding, making it challenging to design experiments to understand their functional consequences. Identification of expression quantitative trait loci (eQTLs) has been a powerful approach to infer downstream effects of disease variants but the large majority remains unexplained.. The analysis of DNA methylation, a key component of the epigenome, offers highly complementary data on the regulatory potential of genomic regions. However, a large-scale, combined analysis of methylome and transcriptome data to infer downstream effects of disease variants is lacking. Here, we show that disease variants have wide-spread effects on DNA methylation in trans that likely reflect the downstream effects on binding sites of cis-regulated transcription factors. Using data on 3,841 Dutch samples, we detected 272,037 independent cis-meQTLs (FDR < 0.05) and identified 1,907 trait-associated SNPs that affect methylation levels of 10,141 different CpG sites in trans (FDR < 0.05), an eight-fold increase in the number of downstream effects that was known from trans-eQTL studies. Trans-meQTL CpG sites are enriched for active regulatory regions, being correlated with gene expression and overlap with Hi-C determined interchromosomal contacts. We detected many trans-meQTL SNPs that affect expression levels of nearby transcription factors (including NFKB1, CTCF and NKX2-3), while the corresponding trans-meQTL CpG sites frequently coincide with its respective binding site. Trans-meQTL mapping therefore provides a strategy for identifying and better understanding downstream functional effects of many disease-associated variants.

The blood metabolome incorporates cues from the environment as well as the host's genetic background, potentially offering a holistic view of an individual's health status. We have compiled a vast resource of 1H-NMR metabolomics and phenotypic data encompassing over 25,000 samples derived from 26 community and hospital-based cohorts. Using this resource, we constructed a metabolomics-based age predictor (metaboAge) to calculate an individual's biological age. Exploration in independent cohorts demonstrates that being judged older by one's metabolome, as compared to one's chronological age, confers an increased risk on future cardiovascular disease, mortality and functionality in older individuals. A web-based tool for calculating metaboAge (metaboage.researchlumc.nl) allows easy incorporation in other epidemiological studies. Access to data can be requested at bbmri.nl/samples-images-data. In summary, we present a vast resource of metabolomics data and illustrate its merit by constructing a metabolomics-based score for biological age that captures aspects of current and future cardio-metabolic health.

Abstract Human longevity, which is coupled to a compression of age-related disease, has been shown to be heritable. However, the number of identified common genetic variants linked to this trait remains small. This may indicate that longevity is, at least to some extent, determined by rare genetic variants that are potentially family-specific. We therefore investigated whole-genome sequencing data of long-lived families from the Leiden Longevity Study for family-specific variants. We identified variants residing in genes involved in the mitogen-activated protein kinase (MAPK) cascade, a lifespan-associated and evolutionarily conserved pathway emerging from studies in model organisms. We subsequently generated mouse embryonic stem cells (mESCs) harbouring these variants and conducted in vitro functional characterisation. Two variants, located in NF1 (Phe1112Leu) and RAF1 (Asp633Tyr), reduce MAPK/extracellular signal-regulated kinase (ERK) signalling pathway activity in mESCs. At the proteomic and transcriptomic level, we observed prominent changes that were shared (e.g. up-regulation of the ribosome) and opposing between the variants (e.g. down-regulation of mTORC1 signalling in the RAF1 Asp633Tyr variant cell line versus up-regulation in the NF1 Phe1112Leu variant cell lines). These metabolic changes were accompanied by an opposing effect of the variants on proliferation. Moreover, the RAF1 Asp633Tyr variant improved resistance to replication stress, while this was not the case for the NF1 Phe1112Leu variant. In conclusion, we identified two rare genetic variants in long-lived families that influence MAPK/ERK signalling in a manner that has previously been linked to increased lifespan in model organisms. Interestingly, we also observe some opposing and diverging effects between the variants, which indicates that they may either have some pleiotropic effects that are not relevant to longevity or that they target slightly different mechanisms to elicit their effects in mESCs. Our findings suggest that mESCs offer a good starting point for in vitro characterisation of rare genetic variants linked to human longevity and can be used to assess which of these variants to take forward to in vivo studies in model organisms.

Elevated blood pressure is a major risk factor for cardiovascular disease and has a substantial genetic contribution. Genetic variation influencing blood pressure has the potential to identify new pharmacological targets for the treatment of hypertension. To discover additional novel blood pressure loci, we used 1000 Genomes Project-based imputation in 150,134 European ancestry individuals and sought significant evidence for independent replication in a further 228,245 individuals. We report 6 new signals of association in or near HSPB7, TNXB, LRP12, LOC283335, SEPT9 and AKT2, and provide new replication evidence for a further 2 signals in EBF2 and NFKBIA. Combining large whole-blood gene expression resources totaling 12,607 individuals, we investigated all novel and previously reported signals and identified 48 genes with evidence for involvement in BP regulation that are significant in multiple resources. Three novel kidney-specific signals were also detected. These robustly implicated genes may provide new leads for therapeutic innovation.

The length and quality of life is important to us all, yet identification of promising drug targets for human ageing using genetics has had limited success. Here, we combine six large European-ancestry genome-wide association studies (GWAS) of human ageing traits - healthspan, father and mother lifespan, exceptional longevity, frailty index, and self-rated health - in a principal component framework which maximises their shared genetic architecture. The first principal component (GIP1) is more heritable than the original studies and shows strong genetic correlations with length of life as well as multiple indices of mental and physical wellbeing. We identify 27 genomic regions associated with GIP1, and provide additional, independent evidence for an effect on human ageing for loci near and using a study of Finnish and Japanese subject survival. Across the genome, GIP1 associations are enriched in genes involved in haem metabolism and pathways related to transcription, neurogenesis, homeostasis, proteolysis, intracellular signalling, immunity, and the muscle system. Finally, using proteome-wide two-sample Mendelian randomisation and colocalisation, we provide robust evidence for a detrimental effect of blood levels of apolipoprotein(a) (LPA) and vascular cell adhesion molecule 1 (VCAM1) on GIP1. Together, our results demonstrate that combining multiple ageing traits using genetic principal components enhances power to detect biological targets for human ageing.

SCOPE: Abdominal obesity is one of the main modifiable risk factors of age-related cardiometabolic disease. Cardiometabolic disease risk and its associated high abdominal fat mass, high cholesterol and glucose concentrations can be reduced by a healthier lifestyle. Hence, our aim is to understand the relation between lifestyle-induced changes in body composition, and specifically abdominal fat, and accompanying changes in circulating metabolic biomarkers. Methods and results: We used the data from the Growing Old Together (GOTO) study, in which 164 older adults (mean age 63 years, BMI 23-35 kg/m 2) changed their lifestyle during 13 weeks by 12.5% caloric restriction plus 12.5% increase in energy expenditure. We show that levels of circulating metabolic biomarkers, even after adjustment for body mass index, specifically associate with abdominal fat mass. Next, we show that the applied lifestyle intervention mainly reduces abdominal fat mass (-2.6%, SD=3.0) and that this reduction, when adjusted for general weight loss, is highly associated with decreased circulating glycerol concentrations and increased HDL diameter. Conclusions: The lifestyle-induced reduction of abdominal fat mass is particularly associated, independent of body mass index or general weight loss, with associated with decreased circulating glycerol concentrations and increased HDL diameter.