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.

Abstract We find that variation in the dbt-1 gene underlies natural differences in Caenorhabditis elegans responses to the toxin arsenic. This gene encodes the E2 subunit of the branched-chain α-keto acid dehydrogenase (BCKDH) complex, a core component of branched-chain amino acid (BCAA) metabolism. We causally linked a non-synonymous variant in the conserved lipoyl domain of DBT-1 to differential arsenic responses. Using targeted metabolomics and chemical supplementation, we demonstrate that differences in responses to arsenic are caused by variation in iso-branched chain fatty acids. Additionally, we show that levels of branched chain fatty acids in human cells are perturbed by arsenic treatment. This finding has broad implications for arsenic toxicity and for arsenic-focused chemotherapeutics across human populations. Our study implicates the BCKDH complex and BCAA metabolism in arsenic responses, demonstrating the power of C. elegans natural genetic diversity to identify novel mechanisms by which environmental toxins affect organismal physiology.

Abstract From bacterial quorum sensing to human language, communication is essential for social interactions. Nematodes produce and sense pheromones to communicate among individuals and respond to environmental changes. These signals are encoded by different types and mixtures of ascarosides, whose modular structures further enhance the diversity of this nematode pheromone language. Interspecific and intraspecific differences in this ascaroside pheromone language have been described previously, but the genetic basis and molecular mechanisms underlying the variation remain largely unknown. Here, we analyzed natural variation in the production of 44 ascarosides across 95 wild Caenorhabditis elegans strains using high-performance liquid chromatography coupled to high-resolution mass spectrometry (HPLC-HRMS). By cross-analyzing genomes and exo -metabolomes of wild strains, we discovered quantitative trait loci (QTL) that underlie the natural differences in pheromone bouquet composition. Fine mapping of the QTL further uncovered associations between mitochondrial metabolism and pheromone production. Our findings demonstrate how natural genetic variation in core metabolic pathways can affect the production of social signals.

The ability to coordinate behavioral responses with metabolic status is fundamental to the maintenance of energy homeostasis. In numerous species including C. elegans and mammals, neural serotonin signaling regulates a range of food-related behaviors. However, the mechanisms that integrate metabolic information with serotonergic circuits are poorly characterized. Here, we identify metabolic, molecular, and cellular components of a circuit that links peripheral metabolic state to serotonin-regulated behaviors in C. elegans. We find that blocking the entry of fatty acyl-CoAs into peroxisomal β-oxidation in the intestine results in blunting of the effects of neural serotonin signaling on feeding and egg-laying behaviors. Comparative genomics and metabolomics revealed that interfering with intestinal peroxisomal β-oxidation results in a modest global transcriptional change but significant changes to the metabolome, including a large number of changes in ascaroside and phospholipid species, some of which affect feeding behavior. We also identify body cavity neurons and an ether-a-go-go related (EAG) potassium channel that functions in these neurons as key cellular components of the circuitry linking peripheral metabolic signals to regulation of neural serotonin signaling. These data raise the possibility that the effects of serotonin on satiety may have their origins in feedback, homeostatic metabolic responses from the periphery.

Abstract Recent studies of animal metabolism have revealed large numbers of novel metabolites that are involved in all aspects of organismal biology, but it is unclear to what extent metabolomes differ between sexes. Here, using untargeted comparative metabolomics for the analysis of wildtype animals and a series of germline mutants, we show that C. elegans hermaphrodites and males exhibit pervasive metabolomic differences. Several hundred small molecules are produced exclusively or in much larger amounts in one sex, including a host of previously unreported metabolites that incorporate building blocks from nucleoside, carbohydrate, lipid, and amino acid metabolism. A subset of male-enriched metabolites is specifically associated with the presence of a male germline, whereas enrichment of other compounds requires a male soma. Further, we show that one of the male germline-dependent metabolites, an unusual dipeptide incorporating N , N -dimethyltryptophan, accelerates the last stage of larval development in hermaphrodites. Our results serve as a foundation for mechanistic studies of how the genetic sex of soma and germline shape the C. elegans metabolome and provides a blueprint for the discovery of sex-dependent metabolites in other animals.