A vanadium-doped, supported TiO2 photocatalyst is presented which is quite active using visible (396−450 nm) light. The oxidation of ethanol over this catalyst was studied using 13C solid-state NMR methods that demonstrated that this catalyst photooxidizes ethanol to produce mostly carbon dioxide with small amounts of acetaldehyde, formic acid, and carbon monoxide under visible irradiation. Under UV irradiation, the catalyst has comparable activity and product distribution as a similarly prepared TiO2 thin-film monolayer catalyst.

In the small intestine, type 2 responses are regulated by a signaling circuit that involves tuft cells and group 2 innate lymphoid cells (ILC2s). Here, we identified the microbial metabolite succinate as an activating ligand for small intestinal (SI) tuft cells. Sequencing analyses of tuft cells isolated from the small intestine, gall bladder, colon, thymus, and trachea revealed that expression of tuft cell chemosensory receptors is tissue specific. SI tuft cells expressed the succinate receptor (SUCNR1), and providing succinate in drinking water was sufficient to induce a multifaceted type 2 immune response via the tuft-ILC2 circuit. The helminth Nippostrongylus brasiliensis and a tritrichomonad protist both secreted succinate as a metabolite. In vivo sensing of the tritrichomonad required SUCNR1, whereas N. brasiliensis was SUCNR1 independent. These findings define a paradigm wherein tuft cells monitor microbial metabolites to initiate type 2 immunity and suggest the existence of other sensing pathways triggering the response to helminths.

For nearly a century developmental biologists have recognized that cells from embryos can differ in their potential to differentiate into distinct cell types. Recently, it has been recognized that embryonic stem cells derived from both mice and humans exhibit two stable yet epigenetically distinct states of pluripotency: naive and primed. We now show that nicotinamide N-methyltransferase (NNMT) and the metabolic state regulate pluripotency in human embryonic stem cells (hESCs). Specifically, in naive hESCs, NNMT and its enzymatic product 1-methylnicotinamide are highly upregulated, and NNMT is required for low S-adenosyl methionine (SAM) levels and the H3K27me3 repressive state. NNMT consumes SAM in naive cells, making it unavailable for histone methylation that represses Wnt and activates the HIF pathway in primed hESCs. These data support the hypothesis that the metabolome regulates the epigenetic landscape of the earliest steps in human development. By comparing the metabolomes, transcriptomes and epigenomes of human pluripotent stem cell lines, Sperber et al. show that interplay between the metabolome and histone modifications drives the metabolic switch from naive to primed pluripotency.

Abstract Quantifying the physiology of aging is essential for improving our understanding of age-related disease and the heterogeneity of healthy aging. Recent studies have shown that in regression models using “-omic” platforms to predict chronological age, residual variation in predicted age is correlated with health outcomes, and suggest that these “omic clocks” provide measures of biological age. This paper presents predictive models for age using metabolomic profiles of cerebrospinal fluid from healthy human subjects, and finds that metabolite and lipid data are generally able to predict chronological age within 10 years. We use these models to predict the age of a cohort of subjects with Alzheimer’s and Parkinson’s disease and find an increase in prediction error, potentially indicating that the relationship between the metabolome and chronological age differs with these diseases. In our analysis of control subjects, we find the carnitine shuttle, sucrose, biopterin, vitamin E metabolism, tryptophan, and tyrosine to be the most associated with age. We showcase the potential usefulness of age prediction models in a small dataset (n = 85), and discuss techniques for drift correction, missing data imputation, and regularized regression which can be used to help mitigate the statistical challenges that commonly arise in this setting. To our knowledge, this work presents the first multivariate predictive metabolomic and lipidomic models for age using mass spectrometry analysis of cerebrospinal fluid.

Aging is the biggest risk factor for Parkinson's disease (PD), suggesting that age-related changes in the brain promote dopamine neuron vulnerability. It is unclear, however, whether aging alone is sufficient to cause significant dopamine neuron loss and if so, how this intersects with PD-related neurodegeneration. Here, through examining a large collection of naturally varying

The progress made in aging research using laboratory organisms is undeniable. Yet, with few exceptions, these studies are conducted in a limited number of isogenic strains. The path from laboratory discoveries to treatment in human populations is complicated by the reality of genetic variation in nature. To model the effect of genetic variation on the action of the drug rapamycin, here we use the growth of Drosophila melanogaster larvae. We screened 140 lines from the Drosophila Genetic References Panel for the extent of developmental delay and found wide-ranging variation in their response, from lines whose development time is nearly doubled by rapamycin, to those that appear to be completely resistant. Sensitivity did not associate with any single genetic marker, nor with any gene. However, variation at the level of genetic pathways was associated with rapamycin sensitivity and might provide insight into sensitivity. In contrast to the genetic analysis, metabolomic analysis showed a strong response of the metabolome to rapamycin, but only among the sensitive larvae. In particular, we found that rapamycin altered levels of amino acids in sensitive larvae, and in a direction strikingly similar to the metabolome response to nutrient deprivation. This work demonstrates the need to evaluate interventions across genetic backgrounds and highlights the potential of omic approaches to reveal biomarkers of drug efficacy and to shed light on mechanisms underlying sensitivity to interventions aimed at increasing lifespan.

Abstract The effect of calorie restriction (CR) on the microbiome, fecal metabolome, and colon transcriptome of adult and old male mice was compared. Life-long CR increased microbial diversity and the Bacteriodetes / Fermicutes ratio and prevented the age-related changes in the microbiota, shifting it to a younger microbial and fecal metabolite profile in both C57BL/6JN and B6D2F1 mice. Old mice fed CR were enriched in the Rikenellaceae, S24-7 and Bacteroides families. The changes in the microbiome that occur with age and CR were initiated in the cecum and further modified in the colon. Short-term CR in adult mice had a minor effect on the microbiome but a major effect on the transcriptome of the colon mucosa. These data suggest that the primary impact of CR is on the physiological status of the gastrointestinal system, maintaining it in a more youthful state, which in turn results in a more diverse and youthful microbiome.

Initiation of immune responses requires innate immune sensing, but immune detection of the helminths, protists, and allergens that stimulate type 2 immunity remains poorly understood. In the small intestine, type 2 immune responses are regulated by a tuft cell- ILC2 signaling circuit. Tuft cells express components of a canonical taste transduction pathway, including the membrane channel TRPM5, but the ligands and receptors that activate tuft cells in the small intestine are unknown. Here we identify succinate as the first ligand that activates intestinal tuft cells to initiate type 2 immune responses. Using mRNA-Seq on tuft cells from different tissues, we show that all tuft cells express the intracellular taste transduction pathway, but expression of upstream receptors is tissue-specific. In the small intestine, tuft cells express the succinate receptor SUCNR1. Remarkably, providing succinate in drinking water is sufficient to induce a multifaceted type 2 immune response in the murine small intestine, involving all known components of the tuft-ILC2 circuit. The helminth Nippostrongylus brasiliensis secretes succinate as a metabolite, and sensing of both succinate and N. brasiliensis requires tuft cells and TRPM5, suggesting a novel paradigm in which type 2 immunity monitors microbial metabolism. Manipulation of succinate sensing may have therapeutic benefit in numerous intestinal diseases.

Abstract Experimental evolution studies that feature selection on life-history characters are a proven approach for studying the evolution of aging and variation in rates of senescence. Recently, the incorporation of genomic and transcriptomic approaches into this framework has led to the identification of hundreds of genes associated with different aging patterns. However, our understanding of the specific molecular mechanisms underlying these aging patterns remains limited. Here, we incorporated extensive metabolomic profiling into this framework to generate mechanistic insights into aging patterns in Drosophila melanogaster . Specifically, we characterized metabolomic change over time associated with accelerated aging in populations of D. melanogaster under selection for early reproduction compared to their controls. Using this data we: i) evaluated the evolutionary repeatability across the metabolome; ii) evaluated the value of the metabolome as a predictor of “biological age” in this system; and iii) identified specific metabolic pathways associated with accelerated aging. Generally, our findings suggest that the metabolome is a reliable predictor of age and senescence in populations that share a recent evolutionary history. Metabolomic analysis revealed that generations of selection for early reproduction resulted in highly repeatable alterations to the metabolome. Specifically, changes in carbohydrate, amino acid, and TCA cycle-related metabolite abundances over time point to metabolic remodeling that favors rapid early reproduction with long-term consequences for carbohydrate and protein utilization.

Abstract Transplanted human pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes (hPSC-CMs) improve ventricular performance when delivered acutely post-myocardial infarction but are ineffective in chronic myocardial infarction/heart failure. 2’-deoxy-ATP (dATP) activates cardiac myosin and potently increases contractility. Here we engineered hPSC-CMs to overexpress ribonucleotide reductase, the enzyme controlling dATP production. In vivo, dATP-producing CMs formed new myocardium that transferred dATP to host cardiomyocytes via gap junctions, increasing their dATP levels. Strikingly, when transplanted into chronically infarcted hearts, dATP-producing grafts increased left ventricular function, whereas heart failure worsened with wild-type grafts or vehicle injections. dATP-donor cells recipients had greater voluntary exercise, improved cardiac metabolism, reduced pulmonary congestion and pathological cardiac hypertrophy, and improved survival. This combination of remuscularization plus enhanced host contractility offers a novel approach to treating the chronically failing heart. One Sentence Summary Transplanting gene-edited dATP-donor cardiomyocytes in chronically infarcted heart restores their cardiac function, improving both exercise tolerance and survival.