SUMMARY In humans, mutations in D-2-hydroxyglutarate (D-2HG) dehydrogenase (D2HGDH) result in D-2HG accumulation, delayed development, seizures, and ataxia. While the mechanisms of 2HG-associated diseases have been studied extensively, the endogenous metabolism of D-2HG remains unclear in any organism. Here, we find that, in Caenorhabditis elegans , D-2HG is produced in the propionate shunt, which is transcriptionally activated when flux through the canonical, vitamin B12-dependent propionate breakdown pathway is perturbed. Deletion of the D2HGDH ortholog, dhgd-1 , results in embryonic lethality, mitochondrial defects, and the upregulation of ketone body metabolism genes. Viability can be rescued by RNAi of hphd-1 , which encodes the enzyme that produces D-2HG, or by supplementing either vitamin B12 or the ketone body 3-hydroxybutyrate (3HB). Altogether, our findings support a model in which C. elegans relies on ketone bodies for energy when vitamin B12 levels are low, and in which a loss of dhgd-1 causes lethality by limiting ketone body production. HIGHLIGHTS - D-2-hydroxyglutarate is produced by HPHD-1 in the propionate shunt pathway - DHGD-1 recycles 2-hydroxyglutarate to sustain flux through the propionate shunt - dhgd-1 loss perturbs ketone body metabolism and causes embryonic lethality - 3-Hydroxybutyrate, vitamin B12 or hphd-1 RNAi rescue dhgd-1 mutant lethality

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 A growing body of evidence indicates that gut microbiota influence brain function and behavior. However, the molecular basis of how gut bacteria modulate host nervous system function is largely unknown. Here we show that vitamin B12-producing bacteria that colonize the intestine can modulate excitatory synaptic transmission and behavior in the host Caenorhabditis elegans . We find that vitamin B12 reduces cholinergic signaling in the nervous system through rewiring of the methionine (Met)/S-Adenosylmethionine (SAM) cycle in the intestine. We identify a conserved metabolic crosstalk between the Met/SAM cycle and the choline oxidation pathway. We show that metabolic rewiring of these pathways by vitamin B12 reduces cholinergic transmission by limiting the availability of free choline required by neurons to synthesize acetylcholine. Our study reveals a gut-brain communication pathway by which enteric bacteria modulate host behavior and may affect mental health.

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.

Abstract Adenosine triphosphate (ATP) serves as an extracellular messenger that mediates diverse cell-to-cell communication. Compelling evidence supports that ATP is released from cells through pannexins, a family of heptameric large pore-forming channels. However, the activation mechanisms that trigger ATP release by pannexins remain poorly understood. Here, we discover lysophospholipids as endogenous pannexin activators, using activity-guided fractionation of mouse tissue extracts combined with untargeted metabolomics and electrophysiology. We show that lysophospholipids directly and reversibly activate pannexins in the absence of other proteins. Molecular docking, mutagenesis, and single-particle cryo-EM reconstructions suggest that lysophospholipids open pannexin channels by altering the conformation of the N-terminal domain. Our results provide a connection between lipid metabolism and ATP signaling, both of which play major roles in inflammation and neurotransmission. One-Sentence Summary Untargeted metabolomics discovers a class of messenger lipids as endogenous activators of membrane channels important for inflammation and neurotransmission.

ABSTRACT Fatty acid desaturation is central to metazoan lipid metabolism and provides building blocks of membrane lipids and precursors of diverse signaling molecules. Nutritional conditions and associated microbiota regulate desaturase expression 1–4 , but the underlying mechanisms have remained unclear. Here, we show that endogenous and microbiota-dependent small molecule signals promote lipid desaturation via the nuclear receptor NHR-49/PPARα in C. elegans . Untargeted metabolomics of a β-oxidation mutant, acdh-11 , in which expression of the stearoyl-CoA desaturase FAT-7/SCD1 is constitutively increased, revealed accumulation of a β- cyclopropyl fatty acid, becyp#1, that potently activates fat-7 expression via NHR-49. Biosynthesis of becyp#1 is strictly dependent on expression of cyclopropane synthase by associated bacteria, e.g., E. coli . Screening for structurally related endogenous metabolites revealed a β-methyl fatty acid, bemeth#1, whose activity mimics that of microbiota-dependent becyp#1, but is derived from a methyltransferase, fcmt-1 , that is conserved across Nematoda and likely originates from bacterial cyclopropane synthase via ancient horizontal gene transfer. Activation of fat-7 expression by these structurally similar metabolites is controlled by distinct mechanisms, as microbiota-dependent becyp#1 is metabolized by a dedicated β-oxidation pathway, while the endogenous bemeth#1 is metabolized via α-oxidation. Collectively, we demonstrate that evolutionarily related biosynthetic pathways in metazoan host and associated microbiota converge on NHR-49/PPARα to regulate fat desaturation.

ABSTRACT Untargeted metabolomics via high-resolution mass spectrometry (HRMS) can reveal more than 100,000 molecular features in a single sample, many of which may represent unidentified metabolites, posing significant challenges to data analysis. We here introduce Metaboseek, an open-source analysis platform designed for untargeted comparative metabolomics and demonstrate its utility by uncovering biosynthetic functions of a conserved fat metabolism pathway, α-oxidation, using C. elegans as a model. Metaboseek integrates modules for molecular feature detection, statistics, molecular formula prediction, and fragmentation (MS/MS) analysis, which uncovered more than 200 previously uncharacterized α-oxidation-dependent metabolites in an untargeted comparison of wildtype and α-oxidation-defective hacl-1 mutants. The identified metabolites support the predicted enzymatic function of HACL-1 and revealed that α-oxidation participates in metabolism of endogenous β-methyl-branched fatty acids and food-derived cyclopropane lipids. Our results showcase compound discovery and feature annotation at scale via untargeted comparative metabolomics applied to a conserved primary metabolic pathway and suggest a model for the metabolism of cyclopropane lipids.

Animals coexist in commensal, pathogenic or mutualistic relationships with complex communities of diverse organisms including microbes. Some bacteria produce bioactive neurotransmitters which have been proposed to modulate host nervous system activity and behaviors. However, the mechanistic basis of this microbiota-brain modulation and its physiological relevance is largely unknown. Here we show that in C. elegans , the neuromodulator tyramine (TA) produced by gut-colonizing commensal Providencia bacteria can bypass the requirement for host TA biosynthesis to manipulate a host sensory decision. Bacterially-produced TA is likely converted to octopamine (OA) by the host tyramine beta-hydroxylase enzyme. OA, in turn, targets the OCTR-1 receptor on the ASH/ASI sensory neurons to modulate an aversive olfactory response. We identify genes required for TA biosynthesis in Providencia , and show that these genes are necessary for modulation of host behavior. We further find that C. elegans colonized by Providencia preferentially select these bacteria in food choice assays, and that this selection bias requires bacterially-produced TA. Our results demonstrate that a neurotransmitter produced by gut microbiota mimics the functions of the cognate host molecule to override host control of a sensory decision, thereby promoting fitness of both host and microbe.

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.