Abstract Stem cell differentiation is accompanied by an increase in mRNA translation. The rate of protein biosynthesis is influenced by the polyamines putrescine, spermidine, and spermine that are essential for cell growth and stem cell maintenance. However, the role of polyamines as endogenous effectors of stem cell fate and whether they act through translational control remains obscure. Here, we investigated the function of polyamines in stem cell fate decisions using hair follicle stem cell (HFSC) organoids. HFSCs showed lower translation rates than progenitor cells, and a forced suppression of translation by direct targeting of the ribosome or through specific depletion of natural polyamines elevated stemness. In addition, we identified N1-acetylspermidine as a novel parallel regulator of cell fate decisions, increasing proliferation without reducing translation. Overall, this study delineates the diverse routes of polyamine metabolism-mediated regulation of stem cell fate decisions. Key Points Low mRNA translation rates characterize hair follicle stem cell (HFSC) state Depletion of natural polyamines enriches HFSCs via reduced translation N1-acetylspermidine promotes HFSC state without reducing translation N1-acetylspermidine expands the stem cell pool through elevated proliferation

Longevity is often associated with stress resistance, but whether they are causally linked is incompletely understood. Here we investigate chemosensory defective Caenorhabditis elegans mutants that are long-lived and stress resistant. We find that mutants in the intraflagellar transport protein gene osm-3 are completely protected from tunicamycin (TM)-induced ER stress. While osm-3 lifespan extension is fully dependent on the key longevity factor DAF-16/FOXO, TM resistance is not. osm-3 mutants are protected from bacterial pathogens, which is fully pmk-1 p38 MAP kinase dependent. Transcriptomic analysis revealed enhanced expression of P-glycoprotein xenobiotic detoxification genes in osm-3 mutants and chemical inhibition of P-glycoproteins with verapamil suppressed TM resistance. Of note, the nuclear hormone receptor nhr-8 is necessary and sufficient to regulate P-glycoproteins and TM resistance. We thus identify a cell-nonautonomous regulation of xenobiotic detoxification and show that separate pathways are engaged to mediate longevity, pathogen resistance, and xenobiotic detoxification in osm-3 mutants.

Abstract Ubiquitin-specific protease 8 exerts multiple cellular functions and was identified as a potential target in a multiple myeloma vulnerability screen. Here we characterized the function of USP8 in B cells and multiple myeloma, and analyzed its impact on the global and ubiquitin-modified proteome. Usp8 deletion in mice starting at the the pre-B cell stage caused a partial block in B cell development favoring immature and innate-like B cells, as well as germinal center and plasma cells. This was accompanied by elevated immune-responses and Roquin depletion. Accordingly, correlation analyses in multiple myeloma patients revealed that low USP8 expression at diagnosis correlates with decreased survival. B cells expressing catalytically inactive USP8 accumulate protein modified with mixed ubiquitin/NEDD8 chains as hallmarks of proteotoxic stress, which we identified as favored USP8 substrates. USP8 knockdown reduced survival of bortezomib-resistant multiple myeloma cells in a lysosomal dysfunction-dependent manner. In contrast, the inhibitor DUB-IN-2 resensitized bortezomib-resistant multiple myeloma cells to treatment in a bortezomib-synergistic manner. Hence, our analyses uncovered the therapeutic potential of USP8 inhibition and of DUB-IN-2 in multiple myeloma.

Abstract Glucosamine feeding and genetic activation of the hexosamine biosynthetic pathway (HBP) have been linked to improved protein quality control and lifespan extension in various species. Thus, there is considerable interest in the potential health benefits of dietary supplementation with glucosamine or other HBP metabolites in people. The HBP is a sensor for energy availability and its activation has been implicated in tumor progression and diabetes in higher organisms. As the activation of the HBP has been linked to longevity in lower animals, it is imperative to explore the long-term effects of chronic HBP activation in mammals, which has not been examined so far. To address this issue, we activated the HBP in mice both genetically and through metabolite supplementation, and evaluated metabolism, memory, and survival. GlcNAc supplementation in the drinking water had no adverse effect on weight gain in males but increased weight in young female mice. Glucose or insulin tolerance were not affected up to 20 months of age. Of note, we observed improved memory in the Morris water maze in young male mice supplemented with GlcNAc. Survival was not changed by GlcNAc supplementation. To assess the effects of genetic HBP activation we overexpressed the key enzyme GFAT1 as well as a constitutively activated point mutant form in all mouse tissues. We detected elevated UDP-GlcNAc levels in mouse brains, but did not find any effects on behavior, memory, or survival. Together, while dietary GlcNAc supplementation did not extend survival in mice, it positively affected memory and is generally well tolerated.

Abstract The hexosamine pathway (HP) is a key anabolic pathway whose product uridine 5’-diphospho-N-acetyl-D-glucosamine (UDP-GlcNAc) is an essential precursor for all glycosylation processes in mammals. It modulates the ER stress response, is implicated in cancer and diabetes, and HP activation extends lifespan in Caenorhabditis elegans . The highly conserved glutamine fructose-6-phosphate amidotransferase 1 (GFAT-1) is the first and rate-limiting HP enzyme. GFAT-1 activity is modulated through UDP-GlcNAc feedback inhibition and by kinase signaling, including Ser205 phosphorylation by protein kinase A (PKA). The consequence and molecular mechanism of GFAT-1 phosphorylation, however, remains poorly understood. Here, we identify the GFAT-1 R203H substitution that elevates UDP-GlcNAc levels in C. elegans , leading to ER stress resistance. In human GFAT-1, the R203H substitution interfered with both UDP-GlcNAc inhibition and PKA-mediated Ser205 phosphorylation. Of note, Ser205 phosphorylation had two discernible effects: It lowered baseline GFAT-1 activity and abolished UDP-GlcNAc feedback inhibition. Thus, GFAT-1 phosphorylation by PKA uncoupled the feedback loop of the HP and, depending on UDP-GlcNAc availability, phosphorylation by PKA results in lower or enhanced GFAT-1 activity in vivo . Mechanistically, our data indicate that the relative positioning of the two GFAT-1 domains might be affected by phosphorylation and we propose a model how Ser205 phosphorylation modulates the activity and feedback inhibition of GFAT-1.

Abstract Protein homeostasis is modulated by stress response pathways and its deficiency is a hallmark of aging. The integrated stress response (ISR) is a conserved stress-signaling pathway that tunes mRNA translation via phosphorylation of the translation initiation factor eIF2. ISR activation and translation initiation are finely balanced by eIF2 kinases and by the eIF2 guanine nucleotide exchange factor eIF2B. However, the role of the ISR during aging remains unexplored. Using a genomic screen in Caenorhabditis elegans , we discovered a role of eIF2B and the eIF2 kinases in longevity. By limiting the ISR, these mutations enhanced protein homeostasis and increased lifespan. Consistently, full ISR inhibition using phosphorylation-defective eIF2α or pharmacological ISR inhibition prolonged lifespan. Lifespan extension through ISR inhibition occurred without changes in overall protein synthesis, and depended on enhanced translational efficiency of the kinase KIN-35. Evidently, lifespan is limited by the ISR and its inhibition may provide an intervention in aging.

Abstract Muscle function relies on the precise architecture of dynamic contractile elements, which must be fine-tuned to maintain motility throughout life. Muscle is also highly plastic, and remodelled in response to stress, growth, neural and metabolic inputs. The evolutionarily conserved muscle-enriched microRNA, miR-1, regulates distinct aspects of muscle biology during development, but whether it plays a role during ageing is unknown. Here we investigated the role of C. elegans miR-1 in muscle function in response to proteostatic stress during adulthood. mir-1 deletion results in improved mid-life muscle motility, pharyngeal pumping, and organismal longevity under conditions of polyglutamine repeat proteotoxic challenge. We identified multiple vacuolar ATPase subunits as subject to miR-1 control, and the regulatory subunit vha-13 /ATP6VIA as a direct target downregulated via its 3’UTR to mediate miR-1 physiology. miR-1 further regulates nuclear localization of lysosomal biogenesis factor HLH-30/TFEB and lysosomal acidification. In summary, our studies reveal that miR-1 coordinately regulates lysosomal v-ATPase and biogenesis to impact muscle function and health during ageing.

Abstract The hexosamine biosynthetic pathway (HBP) produces the essential metabolite UDP-GlcNAc and plays a key role in metabolism, cancer, and aging. The HBP is controlled by its rate-limiting enzyme glutamine fructose-6-phosphate amidotransferase (GFAT) that is directly inhibited by UDP-GlcNAc in a feedback loop. HBP regulation by GFAT is well studied but other HBP regulators have remained obscure. Elevated UDP-GlcNAc levels counteract the glycosylation toxin tunicamycin (TM) and thus we screened for TM resistance in haploid mouse embryonic stem cells (mESCs) using random chemical mutagenesis to pinpoint new HBP regulators. We identified the N-acetylglucosamine deacetylase AMDHD2 that catalyzes a reverse reaction in the HBP and its loss strongly elevated UDP-GlcNAc. To better understand AMDHD2, we solved the crystal structure and found that loss-of-function is caused by protein destabilization or interference with its catalytic activity. Finally, we show that mESCs express AMDHD2 together with GFAT2 instead of the more common paralog GFAT1. Compared with GFAT1, GFAT2 had a much lower sensitivity to UDP-GlcNAc inhibition, explaining how AMDHD2 loss-of-function resulted in HBP activation. This HBP configuration in which AMDHD2 serves to balance GFAT2 activity was also observed in other mESCs and, consistently, the GFAT2/GFAT1 ratio decreased with differentiation of mouse and human embryonic stem cells. Together, our data reveal a critical function of AMDHD2 in limiting UDP-GlcNAc production in cells that use GFAT2 for metabolite entry into the HBP.

Abstract Translating Ribosome Affinity Purification (TRAP) methods have emerged as a powerful approach to profile actively translated transcripts in specific cell and tissue types. Epitope tagged ribosomal subunits are expressed in defined cell populations and used to pull down ribosomes and their associated mRNAs, providing a snapshot of cell type-specific translation occurring in that space and time. Current TRAP toolkits available to the C. elegans community have been built using multi-copy arrays, randomly integrated in the genome. Here we introduce a S ingle-copy K nock In T ranslating R ibosome Immuno P recipitation (SKI TRIP) tool kit, a collection of C. elegans strains engineered by CRISPR in which tissue specific expression of FLAG tagged ribosomal subunit protein RPL-22 is driven by cassettes present in single copy from defined sites in the genome. In depth characterization of the SKI TRIP strains and methodology shows that 3xFLAG tagged RPL-22 expressed from its endogenous locus or within defined cell types incorporates into actively translating ribosomes and can be used to efficiently and cleanly pull-down cell type specific transcripts without impacting overall mRNA translation or fitness of the animal. We propose SKI TRIP use for the study of processes that are acutely sensitive to changes in translation, such as aging.