Abstract Beta-hydroxybutyrate (BHB) is a ketone body synthesized during fasting or strenuous exercise. Our previous study demonstrated that a cyclic ketogenic diet (KD), which induces BHB levels similar to fasting every other week, reduces midlife mortality and improves memory in aging mice. BHB actively regulates gene expression and inflammatory activation through non-energetic signaling pathways. Neither of these activities has been well-characterized in the brain and they may represent mechanisms by which BHB affects brain function during aging. First, we analyzed hepatic gene expression in an aging KD-treated mouse cohort using bulk RNA-seq. In addition to the downregulation of TOR pathway activity, cyclic KD reduces inflammatory gene expression in the liver. We observed via flow cytometry that KD also modulates age-related systemic T cell functions. Next, we investigated whether BHB affects brain cells transcriptionally in vitro . Gene expression analysis in primary human brain cells (microglia, astrocytes, neurons) using RNA-seq shows that BHB causes a mild level of inflammation in all three cell types. However, BHB inhibits the more pronounced LPS-induced inflammatory gene activation in microglia. Furthermore, we confirmed that BHB similarly reduces LPS-induced inflammation in primary mouse microglia and bone marrow-derived macrophages (BMDMs). BHB is recognized as an inhibitor of histone deacetylase (HDAC), an inhibitor of NLRP3 inflammasome, and an agonist of the GPCR Hcar2. Nevertheless, in microglia, BHB’s anti-inflammatory effects are independent of these known mechanisms. Finally, we examined the brain gene expression of 12-month-old male mice fed with one-week and one-year cyclic KD. While a one-week KD increases inflammatory signaling, a one-year cyclic KD reduces neuroinflammation induced by aging. In summary, our findings demon-strate that BHB mitigates the microglial response to inflammatory stimuli, like LPS, possibly leading to decreased chronic inflammation in the brain after long-term KD treatment in aging mice.

SUMMARY Loss of proteostasis is a hallmark of aging and Alzheimer disease (AD). Here, we identify β-hydroxybutyrate (βHB), a ketone body, as a regulator of protein solubility in the aging brain. βHB is a small molecule metabolite which primarily provides an oxidative substrate for ATP during hypoglycemic conditions, and also regulates other cellular processes through covalent and noncovalent protein interactions. We demonstrate βHB-induced protein insolubility across in vitro , ex vivo , and in vivo mouse systems. This activity is shared by select structurally similar metabolites, is not dependent on covalent protein modification, pH, or solute load, and is observable in mouse brain in vivo after delivery of a ketone ester. Furthermore, this phenotype is selective for pathological proteins such as amyloid-β, and exogenous βHB ameliorates pathology in nematode models of amyloid-β aggregation toxicity. We have generated a comprehensive atlas of the βHB-induced protein insolublome ex vivo and in vivo using mass spectrometry proteomics, and have identified common protein domains within βHB target sequences. Finally, we show enrichment of neurodegeneration-related proteins among βHB targets and the clearance of these targets from mouse brain, likely via βHB-induced autophagy. Overall, these data indicate a new metabolically regulated mechanism of proteostasis relevant to aging and AD.