Endogenous metabolites have gained increasing interest over the past 5 years largely for their implications in diagnostic and pharmaceutical biomarker discovery. METLIN (http://metlin.scripps.edu), a freely accessible web-based data repository, has been developed to assist in a broad array of metabolite research and to facilitate metabolite identification through mass analysis. METLIN includes an annotated list of known metabolite structural information that is easily cross-correlated with its catalogue of high-resolution Fourier transform mass spectrometry (FTMS) spectra, tandem mass spectrometry (MS/MS) spectra, and LC/MS data.

Groundbreaking work demonstrated that ectopic expression of four transcription factors, Oct4, Klf4, Sox2, and c-Myc, could reprogram murine somatic cells to induced pluripotent stem cells (iPSCs) (Takahashi and Yamanaka, 2006), and human iPSCs were subsequently generated using similar genetic manipulation (Takahashi et al., 2007; Yu et al., 2007). To address the safety issues arose from harboring integrated exogenous sequences in the target cell genome, a number of modified genetic methods have been developed and produced iPSCs with potentially reduced risks (for discussion, see Yamanaka, 2009, and references therein).

Growing evidence suggests that microbes can influence the efficacy of cancer therapies. By studying colon cancer models, we found that bacteria can metabolize the chemotherapeutic drug gemcitabine (2',2'-difluorodeoxycytidine) into its inactive form, 2',2'-difluorodeoxyuridine. Metabolism was dependent on the expression of a long isoform of the bacterial enzyme cytidine deaminase (CDDL), seen primarily in Gammaproteobacteria. In a colon cancer mouse model, gemcitabine resistance was induced by intratumor Gammaproteobacteria, dependent on bacterial CDDL expression, and abrogated by cotreatment with the antibiotic ciprofloxacin. Gemcitabine is commonly used to treat pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC), and we hypothesized that intratumor bacteria might contribute to drug resistance of these tumors. Consistent with this possibility, we found that of the 113 human PDACs that were tested, 86 (76%) were positive for bacteria, mainly Gammaproteobacteria.

Summary

 Increasing energy expenditure through activation of endogenous brown adipose tissue (BAT) is a potential approach to treat obesity and diabetes. The class of β3-adrenergic receptor (AR) agonists stimulates rodent BAT, but this activity has never been demonstrated in humans. Here we determined the ability of 200 mg oral mirabegron (Myrbetriq, Astellas Pharma, Inc.), a β3-AR agonist currently approved to treat overactive bladder, to stimulate BAT as compared to placebo. Mirabegron led to higher BAT metabolic activity as measured via ¹⁸F-fluorodeoxyglucose (¹⁸F-FDG) using positron emission tomography (PET) combined with computed tomography (CT) in all twelve healthy male subjects (p = 0.001), and it increased resting metabolic rate (RMR) by 203 ± 40 kcal/day (+13%; p = 0.001). BAT metabolic activity was also a significant predictor of the changes in RMR (p = 0.006). Therefore, a β3-AR agonist can stimulate human BAT thermogenesis and may be a promising treatment for metabolic disease.

Metabolism and ageing are intimately linked. Compared with ad libitum feeding, dietary restriction consistently extends lifespan and delays age-related diseases in evolutionarily diverse organisms. Similar conditions of nutrient limitation and genetic or pharmacological perturbations of nutrient or energy metabolism also have longevity benefits. Recently, several metabolites have been identified that modulate ageing; however, the molecular mechanisms underlying this are largely undefined. Here we show that α-ketoglutarate (α-KG), a tricarboxylic acid cycle intermediate, extends the lifespan of adult Caenorhabditis elegans. ATP synthase subunit β is identified as a novel binding protein of α-KG using a small-molecule target identification strategy termed drug affinity responsive target stability (DARTS). The ATP synthase, also known as complex V of the mitochondrial electron transport chain, is the main cellular energy-generating machinery and is highly conserved throughout evolution. Although complete loss of mitochondrial function is detrimental, partial suppression of the electron transport chain has been shown to extend C. elegans lifespan. We show that α-KG inhibits ATP synthase and, similar to ATP synthase knockdown, inhibition by α-KG leads to reduced ATP content, decreased oxygen consumption, and increased autophagy in both C. elegans and mammalian cells. We provide evidence that the lifespan increase by α-KG requires ATP synthase subunit β and is dependent on target of rapamycin (TOR) downstream. Endogenous α-KG levels are increased on starvation and α-KG does not extend the lifespan of dietary-restricted animals, indicating that α-KG is a key metabolite that mediates longevity by dietary restriction. Our analyses uncover new molecular links between a common metabolite, a universal cellular energy generator and dietary restriction in the regulation of organismal lifespan, thus suggesting new strategies for the prevention and treatment of ageing and age-related diseases.

Metabolites offer an important unexplored complementary approach to understanding the pluripotency of stem cells. Using MS-based metabolomics, we show that embryonic stem cells are characterized by abundant metabolites with highly unsaturated structures whose levels decrease upon differentiation. By monitoring the reduced and oxidized glutathione ratio as well as ascorbic acid levels, we demonstrate that the stem cell redox status is regulated during differentiation. On the basis of the oxidative biochemistry of the unsaturated metabolites, we experimentally manipulated specific pathways in embryonic stem cells while monitoring the effects on differentiation. Inhibition of the eicosanoid signaling pathway promoted pluripotency and maintained levels of unsaturated fatty acids. In contrast, downstream oxidized metabolites (for example, neuroprotectin D1) and substrates of pro-oxidative reactions (for example, acyl-carnitines), promoted neuronal and cardiac differentiation. We postulate that the highly unsaturated metabolome sustained by stem cells allows them to differentiate in response to in vivo oxidative processes such as inflammation.

The aim of metabolite profiling is to monitor all metabolites within a biological sample for applications in basic biochemical research as well as pharmacokinetic studies and biomarker discovery. Here, novel data analysis software, XCMS, was used to monitor all metabolite features detected from an array of serum extraction methods, with application to metabolite profiling using electrospray liquid chromatography/mass spectrometry (ESI-LC/MS). The XCMS software enabled the comparison of methods with regard to reproducibility, the number and type of metabolite features detected, and the similarity of these features between different extraction methods. Extraction efficiency with regard to metabolite feature hydrophobicity was examined through the generation of unique feature density distribution plots, displaying feature distribution along chromatographic time. Hierarchical clustering was performed to highlight similarities in the metabolite features observed between the extraction methods. Protein extraction efficiency was determined using the Bradford assay, and the residual proteins were identified using nano-LC/MS/MS. Additionally, the identification of four of the most intensely ionized serum metabolites using FTMS and tandem mass spectrometry was reported. The extraction methods, ranging from organic solvents and acids to heat denaturation, varied widely in both protein removal efficiency and the number of mass spectral features detected. Methanol protein precipitation followed by centrifugation was found to be the most effective, straightforward, and reproducible approach, resulting in serum extracts containing over 2000 detected metabolite features and less than 2% residual protein. Interestingly, the combination of all approaches produced over 10,000 unique metabolite features, a number that is indicative of the complexity of the human metabolome and the potential of metabolomics in biomarker discovery.

In multiple sclerosis and experimental autoimmune encephalomyelitis, astrocytes produce lactosylceramide, a glycolipid that promotes astrocyte and microglial activation and immune cell infiltration into the CNS. Astrocytes have complex roles in health and disease, thus it is important to study the pathways that regulate their function. Here we report that lactosylceramide (LacCer) synthesized by β-1,4-galactosyltransferase 6 (B4GALT6) is upregulated in the central nervous system (CNS) of mice during chronic experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE), a model of multiple sclerosis (MS). LacCer acts in an autocrine manner to control astrocyte transcriptional programs that promote neurodegeneration. In addition, LacCer in astrocytes controls the recruitment and activation of microglia and CNS-infiltrating monocytes in a non–cell autonomous manner by regulating production of the chemokine CCL2 and granulocyte-macrophage colony–stimulating factor (GM-CSF), respectively. We also detected high B4GALT6 gene expression and LacCer concentrations in CNS MS lesions. Inhibition of LacCer synthesis in mice suppressed local CNS innate immunity and neurodegeneration in EAE and interfered with the activation of human astrocytes in vitro. Thus, B4GALT6 regulates astrocyte activation and is a potential therapeutic target for MS and other neuroinflammatory disorders.

Metalloproteins are key components in many biological processes, including respiration, photosynthesis and drug metabolism. The presence of a metal in a protein is often not apparent until the molecule is fully characterized. For this reason, and because of the diversity of metal coordination sites, it is not yet possible to use genome sequences to predict the types of metal an organism utilizes from its environment, or to determine the composition of the organism's metalloproteins. Cvetkovic et al. have therefore taken an alternative route, using conventional liquid chromatography to identify the metals in an organism — the hyperthermophilic marine archaeon Pyrococcus furiosus — and proteomics to examine the metalloproteins. Of the 343 metal peaks in chromatography fractions, 158 did not match any known or predicted metalloprotein, some of them containing metals that the organism was not previously known to utilize. This work suggests that metalloproteomes are more extensive and diverse than previously thought. Metalloproteins are important in many biological processes, including respiration, photosynthesis and drug metabolism. Using genome sequences to predict the numbers and types of metal an organism uses is currently very challenging. These authors used a proteomics approach to identify and characterize a large number of a microorganism's metalloproteins on a genome-wide scale, and successfully separated and identified its cytoplasmic metalloproteins. Metal ion cofactors afford proteins virtually unlimited catalytic potential, enable electron transfer reactions and have a great impact on protein stability1,2. Consequently, metalloproteins have key roles in most biological processes, including respiration (iron and copper), photosynthesis (manganese) and drug metabolism (iron). Yet, predicting from genome sequence the numbers and types of metal an organism assimilates from its environment or uses in its metalloproteome is currently impossible because metal coordination sites are diverse and poorly recognized2,3,4. We present here a robust, metal-based approach to determine all metals an organism assimilates and identify its metalloproteins on a genome-wide scale. This shifts the focus from classical protein-based purification to metal-based identification and purification by liquid chromatography, high-throughput tandem mass spectrometry (HT-MS/MS) and inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) to characterize cytoplasmic metalloproteins from an exemplary microorganism (Pyrococcus furiosus). Of 343 metal peaks in chromatography fractions, 158 did not match any predicted metalloprotein. Unassigned peaks included metals known to be used (cobalt, iron, nickel, tungsten and zinc; 83 peaks) plus metals the organism was not thought to assimilate (lead, manganese, molybdenum, uranium and vanadium; 75 peaks). Purification of eight of 158 unexpected metal peaks yielded four novel nickel- and molybdenum-containing proteins, whereas four purified proteins contained sub-stoichiometric amounts of misincorporated lead and uranium. Analyses of two additional microorganisms (Escherichia coli and Sulfolobus solfataricus) revealed species-specific assimilation of yet more unexpected metals. Metalloproteomes are therefore much more extensive and diverse than previously recognized, and promise to provide key insights for cell biology, microbial growth and toxicity mechanisms.

To maintain stereospecific biochemistry in cells, living organisms have evolved mechanisms to exclude D-amino acids ( D AA) in their protein synthesis machinery, which also limits our exploration of the realm of mirror-image molecules. Here, we show that high affinity between EF-Tu and aminoacyl-tRNA promotes D-amino acid incorporation. More strikingly, Elongation Factor P efficiently resolves peptidyl transferase stalling between two consecutive D-amino acids, and hence enables the translation of D-peptides.