Abstract Metformin, the most prescribed antidiabetic medicine, has shown other benefits such as anti-ageing and anticancer effects 1–4 . For clinical doses of metformin, AMP-activated protein kinase (AMPK) has a major role in its mechanism of action 4,5 ; however, the direct molecular target of metformin remains unknown. Here we show that clinically relevant concentrations of metformin inhibit the lysosomal proton pump v-ATPase, which is a central node for AMPK activation following glucose starvation 6 . We synthesize a photoactive metformin probe and identify PEN2, a subunit of γ-secretase 7 , as a binding partner of metformin with a dissociation constant at micromolar levels. Metformin-bound PEN2 forms a complex with ATP6AP1, a subunit of the v-ATPase 8 , which leads to the inhibition of v-ATPase and the activation of AMPK without effects on cellular AMP levels. Knockout of PEN2 or re-introduction of a PEN2 mutant that does not bind ATP6AP1 blunts AMPK activation. In vivo, liver-specific knockout of Pen2 abolishes metformin-mediated reduction of hepatic fat content, whereas intestine-specific knockout of Pen2 impairs its glucose-lowering effects. Furthermore, knockdown of pen-2 in Caenorhabditis elegans abrogates metformin-induced extension of lifespan. Together, these findings reveal that metformin binds PEN2 and initiates a signalling route that intersects, through ATP6AP1, the lysosomal glucose-sensing pathway for AMPK activation. This ensures that metformin exerts its therapeutic benefits in patients without substantial adverse effects.

Lithocholic acid (LCA) is accumulated in mammals during calorie restriction and it can activate AMP-activated protein kinase (AMPK) to slow down ageing1. However, the molecular details of how LCA activates AMPK and induces these biological effects are unclear. Here we show that LCA enhances the activity of sirtuins to deacetylate and subsequently inhibit vacuolar H+-ATPase (v-ATPase), which leads to AMPK activation through the lysosomal glucose-sensing pathway. Proteomics analyses of proteins that co-immunoprecipitated with sirtuin 1 (SIRT1) identified TUB-like protein 3 (TULP3), a sirtuin-interacting protein2, as a LCA receptor. In detail, LCA-bound TULP3 allosterically activates sirtuins, which then deacetylate the V1E1 subunit of v-ATPase on residues K52, K99 and K191. Muscle-specific expression of a V1E1 mutant (3KR), which mimics the deacetylated state, strongly activates AMPK and rejuvenates muscles in aged mice. In nematodes and flies, LCA depends on the TULP3 homologues tub-1 and ktub, respectively, to activate AMPK and extend lifespan and healthspan. Our study demonstrates that activation of the TULP3–sirtuin–v-ATPase–AMPK pathway by LCA reproduces the benefits of calorie restriction. The molecular mechanism underlying how lithocholic acid recapitulates the lifespan and healthspan benefits of calorie restriction is revealed to involve TULP3, sirtuins, v-ATPase and AMPK.

Calorie restriction (CR) is a dietary intervention used to promote health and longevity1,2. CR causes various metabolic changes in both the production and the circulation of metabolites1; however, it remains unclear which altered metabolites account for the physiological benefits of CR. Here we use metabolomics to analyse metabolites that exhibit changes in abundance during CR and perform subsequent functional validation. We show that lithocholic acid (LCA) is one of the metabolites that alone can recapitulate the effects of CR in mice. These effects include activation of AMP-activated protein kinase (AMPK), enhancement of muscle regeneration and rejuvenation of grip strength and running capacity. LCA also activates AMPK and induces life-extending and health-extending effects in Caenorhabditis elegans and Drosophila melanogaster. As C. elegans and D. melanogaster are not able to synthesize LCA, these results indicate that these animals are able to transmit the signalling effects of LCA once administered. Knockout of AMPK abrogates LCA-induced phenotypes in all the three animal models. Together, we identify that administration of the CR-mediated upregulated metabolite LCA alone can confer anti-ageing benefits to metazoans in an AMPK-dependent manner. Lithocholic acid is one of the metabolites upregulated during calorie restriction, and treatment of mice, worms and flies with this bile acid alone can reproduce the health benefits of calorie restriction.

Abstract The shift of carbon utilization from primarily glucose to other nutrients is a fundamental metabolic adaptation to cope with decreased blood glucose levels and the consequent decline in glucose oxidation. AMP-activated protein kinase (AMPK) plays crucial roles in this metabolic adaptation. However, the underlying mechanism is not fully understood. Here, we show that PDZ domain containing 8 (PDZD8), which we identify as a new substrate of AMPK activated in low glucose, is required for the low glucose-promoted glutaminolysis. AMPK phosphorylates PDZD8 at threonine 527 (T527) and promotes the interaction of PDZD8 with and activation of glutaminase 1 (GLS1), a rate-limiting enzyme of glutaminolysis. In vivo, the AMPK-PDZD8-GLS1 axis is required for the enhancement of glutaminolysis as tested in the skeletal muscle tissues, which occurs earlier than the increase in fatty acid utilization during fasting. The enhanced glutaminolysis is also observed in macrophages in low glucose or under acute lipopolysaccharide (LPS) treatment. Consistent with a requirement of heightened glutaminolysis, the PDZD8-T527A mutation dampens the secretion of pro-inflammatory cytokines in macrophages in mice treated with LPS. Together, we have revealed an AMPK-PDZD8-GLS1 axis that promotes glutaminolysis ahead of increased fatty acid utilization under glucose shortage.

Abstract K-Ras mutations represent a most prevalent oncogenic alteration in human cancers. Despite of tremendous efforts, it remains a big challenge to develop inhibitors that can target the oncogenic K-Ras mutants, especially mutants without specific active or charged side chains such as K-Ras G12V . Here, taking advantage of our previous finding that Nedd4-1 is a bona fide E3 ubiquitin ligase for wild-type Ras proteins, we developed a compound XMU-MP-9 that can promote ubiquitination and degradation of various K-Ras mutants including K-Ras G12V , and significantly inhibit proliferation and tumor development of K-Ras mutant harboring cells. Mechanistically, XMU-MP-9 acts as a molecular glue to bind both the C2 domain of Nedd4-1 and an allosteric site of K-Ras to enhance Nedd4-1 and K-Ras interaction. Hence, our study presents a robust strategy to develop small-molecule degrader of K-Ras mutants, and also sheds light on the development of small-molecule degraders for H-Ras and N-Ras mutants.

Calorie restriction (CR) is a dietary intervention to promote health and longevity. CR causes various metabolic changes in both the production and circulation of metabolites; however, it remains unclear which of the changed metabolite(s) can account for the physiological benefits of CR. Through metabolomic analysis of metabolites undergoing abundance changes during CR and subsequent functional validation, we found that lithocholic acid (LCA) is the only metabolite that alone can recapitulate the effects of CR, including activation of AMPK and the rejuvenating effects of muscle regeneration, grip strength and running capacity in mice. Interestingly, LCA also activates AMPK and exerts life- and health-extending effects in Caenorhabditis elegans and Drosophila melanogaster, indicating that these animal models are able to transmit the signalling of LCA once administered. Knockout of AMPK abrogates LCA-induced phenotypes, in nematodes and flies, as well as in mice. Together, we have identified that administration of the CR-upregulated metabolite LCA alone can confer anti-ageing benefits to metazoans, in an AMPK-dependent manner.

Lithocholic acid (LCA), accumulated in the body during calorie restriction (CR), can confer administered metazoans with the ability to activate AMP-activated protein kinase (AMPK) and retard ageing. However, how LCA is signalled to activate AMPK and elicit the biological effects is unclear. Here, we show that LCA can enhance sirtuins (SIRTs) to deacetylate and subsequently inhibit vacuolar H+-ATPase (v-ATPase), thereby triggering AMPK activation via the lysosomal glucose-sensing pathway. Through proteomic analysis of SIRT1-coimmunoprecipitated proteins, we identify and validate that TUB like protein 3 (TULP3) is a constitutive component of SIRTs. Surprisingly, we found that TULP3 is an LCA receptor, and that the LCA-bound TULP3 activates SIRTs. The activated SIRTs in turn deacetylate the V1E1 subunit of v-ATPase on K52, K99 and K191 residues. Muscle-specific expression of the 3KR mutant of V1E1, mimicking the deacetylated state, dominantly activates AMPK and rejuvenates muscles in aged mice. Moreover, LCA once administered also activates AMPK and extends lifespan and healthspan in nematodes and flies, depending on the TULP3 homologues tub-1 and ktub, respectively. Our study thus elucidates that LCA triggers the TULP3-sirtuin-v-ATPase- AMPK route to manifest benefits of calorie restriction.

The shift of carbon utilisation from glucose to other nutrients is a fundamental metabolic adaptation to cope with the decreased glucose oxidation during fasting or starvation 1 . AMP-activated protein kinase (AMPK) plays crucial roles in manifesting physiological benefits accompanying glucose starvation or calorie restriction 2 . However, the underlying mechanisms are unclear. Here, we show that low glucose-induced activation of AMPK plays a decisive role in the shift of carbon utilisation from glucose to glutamine. We demonstrate that endoplasmic reticulum (ER)-localised PDZD8, which we identify to be a new substrate of AMPK, is required for the glucose starvation-promoted glutaminolysis. AMPK phosphorylates PDZD8 at threonine 527 (T527), and promotes it to interact with and activate the mitochondrial glutaminase 1 (GLS1), a rate-limiting enzyme of glutaminolysis 3–5 , and as a result the ER-mitochondria contact is strengthened. In vivo, PDZD8 enhances glutaminolysis, and triggers mitohormesis that is required for extension of lifespan and healthspan in Caenorhabditis elegans subjected to glucose starvation or caloric restriction. Muscle-specific re-introduction of wildtype PDZD8, but not the AMPK-unphosphorylable PDZD8-T527A mutant, to PDZD8 −/− mice is able to rescue the increase of glutaminolysis, and the rejuvenating effects of caloric restriction in aged mice, including grip strength and running capacity. Together, these findings reveal an AMPK-PDZD8-GLS1 axis that promotes glutaminolysis and executes the anti-ageing effects of calorie restriction by promoting inter-organelle crosstalk between ER and mitochondria.