Glucose starvation activates AMPK via an AMP/ADP-independent mechanism that involves fructose-1,6-bisphosphate and aldolase. AMPK is a central regulator of metabolic homeostasis, and its dysfunction may result in various diseases including diabetes, obesity, and cancer. AMPK is known to be activated under stressful conditions, including glucose starvation. It has been assumed that upon glucose deprivation AMPK activation occurs in the canonical AMP/ADP-dependent manner, with reduced metabolism of glucose causing falling ATP and increasing AMP and ADP. Here, Sheng-Cai Lin and colleagues show that this is not the case, and that glucose starvation activates AMPK via a different route, in an AMP/ADP-independent manner. During glycolysis, glucose is converted to fructose-1,6-bisphosphate (FBP), which is then processed by FBP aldolases. The authors show that the absence of glucose results in a reduction of FBP-bound aldolase, which triggers LKB1 phosphorylation and activation of AMPK. This study thus uncovers FBP as the critical metabolite that signals glucose availability and FBP aldolases as the sensors that relay the information to AMPK. The major energy source for most cells is glucose, from which ATP is generated via glycolysis and/or oxidative metabolism. Glucose deprivation activates AMP-activated protein kinase (AMPK)1, but it is unclear whether this activation occurs solely via changes in AMP or ADP, the classical activators of AMPK2,3,4,5. Here, we describe an AMP/ADP-independent mechanism that triggers AMPK activation by sensing the absence of fructose-1,6-bisphosphate (FBP), with AMPK being progressively activated as extracellular glucose and intracellular FBP decrease. When unoccupied by FBP, aldolases promote the formation of a lysosomal complex containing at least v-ATPase, ragulator, axin, liver kinase B1 (LKB1) and AMPK, which has previously been shown to be required for AMPK activation6,7. Knockdown of aldolases activates AMPK even in cells with abundant glucose, whereas the catalysis-defective D34S aldolase mutant, which still binds FBP, blocks AMPK activation. Cell-free reconstitution assays show that addition of FBP disrupts the association of axin and LKB1 with v-ATPase and ragulator. Importantly, in some cell types AMP/ATP and ADP/ATP ratios remain unchanged during acute glucose starvation, and intact AMP-binding sites on AMPK are not required for AMPK activation. These results establish that aldolase, as well as being a glycolytic enzyme, is a sensor of glucose availability that regulates AMPK.

AMPK and mTOR play principal roles in governing metabolic programs; however, mechanisms underlying the coordination of the two inversely regulated kinases remain unclear. In this study we found, most surprisingly, that the late endosomal/lysosomal protein complex v-ATPase-Ragulator, essential for activation of mTORC1, is also required for AMPK activation. We also uncovered that AMPK is a residential protein of late endosome/lysosome. Under glucose starvation, the v-ATPase-Ragulator complex is accessible to AXIN/LKB1 for AMPK activation. Concurrently, the guanine nucleotide exchange factor (GEF) activity of Ragulator toward RAG is inhibited by AXIN, causing dissociation from endosome and inactivation of mTORC1. We have thus revealed that the v-ATPase-Ragulator complex is also an initiating sensor for energy stress and meanwhile serves as an endosomal docking site for LKB1-mediated AMPK activation by forming the v-ATPase-Ragulator-AXIN/LKB1-AMPK complex, thereby providing a switch between catabolism and anabolism. Our current study also emphasizes a general role of late endosome/lysosome in controlling metabolic programs.

Acetylation and Autophagy Autophagy allows cells to digest their own components when necessary to survive stressful conditions. Lin et al. (p. 477) and Yi et al. (p. 474) describe signaling mechanisms in mammalian cells and yeast, respectively, by which autophagy is regulated by protein acetylation. In mammalian cells deprived of serum, the acetyltransferase TIP60 was activated by phosphorylation by the protein kinase GSK3 (glycogen synthase kinase 3). TIP60's target appeared to be a protein kinase central to autophagy regulation, ULK1. This activating pathway was required for autophagy in the absence of serum, but was not needed for autophagy in cells deprived of glucose. In the yeast Saccharomyces cerevisiae starved of nitrogen, another acetylation mechanism was uncovered. Starvation led to activation of the histone acetyltransferase Esa1, which acetylated the protein Atg3, a key component of the autophagy machinery, thus increasing its interaction with another autophagy protein, Atg8.

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 Obesity and its detrimental metabolic consequences are commonly recognized as risk factors for impairments in the central nervous system (CNS). However, the direct link between metabolic abnormalities and brain functions during high-fat feeding remains unclear. Here, we show that treatment with probucol, a cholesterol-lowering drug, counteracts the cognitive and social impairments induced by a high-fat diet in mice, while having no effect on mood disorders. Unexpectedly, the beneficial effects of probucol do not result from rectifying obesity or restoring glucose and lipid homeostasis, as evidenced by the lack of change in body weight, blood glucose and serum cholesterol levels. Interestingly, high-fat feeding led to association among the levels of redox factors, including oxidized low-density lipoprotein, glutathione and malondialdehyde, as well as a significant negative correlation between malondialdehyde levels and behavioral performance. Probucol treatment interrupts these linkages and differentially regulates the proteins for the generation of reactive oxygen species and reactive nitrogen species in the brain. These findings prompt a reconsideration of the mechanism of action of probucol, as well as the roles of altered metabolic profiles and free radicals in brain function.

Co-occurring mutations in KEAP1 in STK11/LKB1-mutant NSCLC activate NFE2L2/NRF2 to compensate for the loss of STK11-AMPK activity during metabolic adaptation. Characterizing the regulatory crosstalk between the STK11-AMPK and KEAP1-NFE2L2 pathways during metabolic stress is crucial for understanding the implications of co-occurring mutations. Here, we found that metabolic stress increased the expression and phosphorylation of SQSTM1/p62, which is essential for the activation of NFE2L2 and AMPK, synergizing antioxidant defense and tumor growth. The SQSTM1-driven dual activation of NFE2L2 and AMPK was achieved by inducing macroautophagic/autophagic degradation of KEAP1 and facilitating the AXIN-STK11-AMPK complex formation on the lysosomal membrane, respectively. In contrast, the STK11-AMPK activity was also required for metabolic stress-induced expression and phosphorylation of SQSTM1, suggesting a double-positive feedback loop between AMPK and SQSTM1. Mechanistically, SQSTM1 expression was increased by the PPP2/PP2A-dependent dephosphorylation of TFEB and TFE3, which was induced by the lysosomal deacidification caused by low glucose metabolism and AMPK-dependent proton reduction. Furthermore, SQSTM1 phosphorylation was increased by MAP3K7/TAK1, which was activated by ROS and pH-dependent secretion of lysosomal Ca

ABSTRACT The parasympathetic nervous system (PNS) modulates postprandial glucose metabolism via innervating pancreas; however, its significance in the pathogenesis of type 2 diabetes (T2DM) remains unclear. Here we show that brain-specific serine/threonine-protein kinase 2 (Brsk2), accumulated in obese mouse islets, responds to PNS activation and initiates pre-absorptive insulin release. In inducible mouse models, excessive Brsk2 amplifies parasympathetic signaling to β cells and increases their secretion, ensuing insulin resistance and T2DM. Conversely, Brsk2 inhibition prevents and treats HFD-induced metabolic abnormities via avoiding β-cell oversecretion. Mechanistically, parasympathetic acetylcholine activates cholinergic receptor M3 (Chrm3), then Chrm3 recruits and stabilizes Brsk2, which in turn phosphorylates phospholipase A2 activating protein (Plaa). A Chrm3-Brsk2-Plaa axis stimulates β-cell hypersecretion during both pre-absorptive and absorptive stages in HFD-feeding mice, thus imposing insulin resistance and β-cell dysfunction. Blocking parasympathetic signaling to β cells by Brsk2 protein restoration, autonomic mediation drugs, or vagotomy restricted diabetes development. Moreover, three human BRSK2 variants are associated with hyperinsulinemia, insulin resistance, and T2DM in the Chinese population. These findings reveal that Brsk2 links parasympathetic nervous system to nutrition-overload induced T2DM.

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.

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.

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.