Abstract Calorie restriction (CR) promotes healthspan and extends the lifespan of diverse organisms, including mice, and there is intense interest in understanding the molecular mechanisms by which CR functions. Some studies have demonstrated that CR induces fibroblast growth factor 21 (FGF21), a hormone that regulates energy balance and that when overexpressed, promotes metabolic health and longevity in mice, but the role of FGF21 in the response to CR has not been fully investigated. We directly examined the role of FGF21 in the physiological and metabolic response to a CR diet by feeding Fgf21 -/- and wild-type control mice either ad libitum (AL) diet or a 30% CR diet for 15 weeks. Here, we find that FGF21 is largely dispensable for CR-induced improvements in body composition and energy balance, but that lack of Fgf21 blunts CR-induced changes aspects of glucose regulation and insulin sensitivity in females. Surprisingly, despite not affecting CR-induced changes in energy expenditure, loss of Fgf21 significantly blunts CR-induced beiging of white adipose tissue in male but not female mice. Our results shed new light on the molecular mechanisms involved in the beneficial effects of a CR diet, clarify that FGF21 is largely dispensable for the metabolic effects of a CR diet, and highlight a sex-dependent role for FGF21 in the molecular adaptation of white adipose tissue to CR.

Abstract Dietary protein is a critical regulator of metabolic health and aging. Low protein diets are associated with healthy aging in humans, and dietary protein restriction extends the lifespan and healthspan of mice. In this study, we examined the effect of protein restriction (PR) on metabolic health and the development and progression of Alzheimer’s disease (AD) in the 3xTg mouse model of AD. Here, we show that PR promotes leanness and glycemic control in 3xTg mice, specifically rescuing the glucose intolerance of 3xTg females. PR induces sex-specific alterations in circulating and brain metabolites, downregulating sphingolipid subclasses in 3xTg females. PR also reduces AD pathology and mTORC1 activity, increases autophagy, and improves the cognition of 3xTg mice. Finally, PR improves the survival of 3xTg mice. Our results suggest that PR or pharmaceutical interventions that mimic the effects of this diet may hold promise as a treatment for AD.

Abstract Low protein (LP) diets promote health and longevity in diverse species. Although the precise components of an LP diet that mediate its beneficial effects have not been defined, reducing dietary levels of the three branched-chain amino acids (BCAAs) leucine, isoleucine and valine promotes metabolic health in both sexes, and increases lifespan while reducing frailty in male, but not female, C57BL/6J mice. Each BCAA has unique metabolic effects, and we recently showed that restriction of isoleucine is both sufficient to promote metabolic health and required for the metabolic benefits of an LP diet in male C57BL/6J mice. Here, we tested the hypothesis that specifically restricting isoleucine could promote healthy aging in genetically heterogenous UM-HET3 mice. We find that a reduced isoleucine diet improves the metabolic health of both young and old HET3 mice, promoting leanness and glycemic control. Restriction of isoleucine starting in adult, 6 month old HET3 mice reprograms hepatic metabolism in a way distinct from an LP diet. Finally, we find that a reduced isoleucine diet reduces frailty and extends the lifespan of both male and female HET3 mice, but to a much greater degree in males. Our results demonstrate that restricting dietary isoleucine can increase health span and longevity in a genetically diverse population of mice, and suggests that reducing dietary levels of isoleucine may have great potential as a geroprotective intervention.

A growing number of geroprotectors have demonstrated healthspan extension in young animals, but the effectiveness of these therapies when commenced in midlife or later has been under-studied. We and others have shown that much like calorie restriction (CR), restriction of specific nutrients, including total protein, the three branched-chain amino acids leucine, isoleucine, and valine, or isoleucine alone, can promote lifespan and metabolic health. While CR is less efficacious when starting in late life, the effects of interventions restricting amino acids in late life on healthy aging is unknown. Here, we investigate the metabolic, molecular, and physiological effects of consuming diets with a 67% reduction of either all amino acids (Low AA) or of isoleucine alone (Low Ile) in male and female C57BL/6J.Nia mice starting at 20 months of age. We find that both diets reduce adiposity in aged mice; however, these diets decreased lean mass, and did not show significant improvements in frailty or fitness. The glucose tolerance of both male and female mice consuming Low Ile and Low AA diets were improved. We also observed a moderate increase in energy expenditure and respiratory exchange ratio induced by the two dietary interventions. In the hearts of aged female mice, Low Ile reversed age-associated changes in heart rate and stroke volume, returning cardiac function to similar levels as observed in young mice. We found that both Low AA and Low Ile diets promoted a more youthful molecular cardiac profile, preventing age-dependent increases in phosphatidylglycerols. These results demonstrate that Low AA and Low Ile diets can improve aspects of metabolic health in aged mice of both sexes, and has positive effects on cardiac health in aged females, suggesting that these dietary interventions are translationally promising for promoting healthy aging even in older people.

Abstract Calorie restriction (CR) extends lifespan and healthspan in diverse species. However, comparing ad libitum (AL) and CR-fed mice is challenging due to their significantly different feeding patterns. CR-fed mice consume their daily meal in approximately 2 hours, subjecting themselves to a prolonged self-imposed fast each day. To gain deeper insights into the effects of CR, we conducted a comprehensive examination of how AL and CR-fed mice respond to tests performed at various times relative to the completion of their once-daily CR meal. Our findings reveal that many well-known effects of CR, including its impact on insulin sensitivity, result from the specific temporal conditions. CR animals exhibit a divergent response to insulin, and this response varies based on the time elapsed since the CR-fed mice consumed their food. Utilizing an unbiased metabolomics approach, we discovered that the effects of CR on circulating metabolites are heavily dependent upon the time-of-day and feeding regimen. Finally, while it is widely believed that CR functions in part by reducing activity of the kinase mTORC1, our study suggests that the observed differences in mTORC1 activity between AL and CR-fed mice are dependent upon both fasting duration and the specific tissue examined. Furthermore, we find that the metabolic effects of CR are independent of hepatic mTORC1. Our results shed new light on the physiological, metabolic, and molecular effects of a CR diet, and highlight that much of our understanding of the effects of CR are related to when, relative to feeding, we choose to examine the mice.