Abstract Transcriptome-based drug screening is emerging as a powerful tool to identify geroprotective compounds to intervene in age-related disease. We hypothesized that, by mimicking the transcriptional signature of the highly conserved longevity intervention of FOXO3 ( daf-16 in worms) overexpression, we could identify and repurpose compounds with similar downstream effects to increase longevity. Our in silico screen, utilizing the LINCS transcriptome database of genetic and compound interventions, identified several FDA-approved compounds that activate FOXO downstream targets in mammalian cells. These included the neuromuscular blocker atracurium, which also robustly extends both lifespan and healthspan in C. elegans . This longevity is dependent on both daf-16 signaling and inhibition of the neuromuscular acetylcholine receptor. Other neuromuscular blockers tubocurarine and pancuronium caused similar healthspan benefits. We demonstrate nuclear localization of DAF-16 upon atracurium treatment, and, using RNAseq transcriptomics, identify activation of DAF-16 downstream effectors. Together, these data demonstrate the capacity to mimic genetic lifespan interventions with drugs, and in doing so, reveal that the neuromuscular acetylcholine receptor regulates the highly conserved FOXO/DAF-16 longevity pathway.

ABSTRACT The process of aging increases the risk of developing age-related diseases, which come at great societal healthcare costs and suffering to individuals. Meanwhile, targeting the basic mechanisms of aging can reduce the risk of developing age-related diseases during aging, essentially resulting in a ‘healthy aging’ process. Multiple aging pathways exist, which over past decades have systematically been confirmed through gene knockout or overexpression studies in mammals and the ability to increase healthy lifespan. In this work, we perform transcriptome-based drug screening to identify small molecules that mimic the transcriptional profiles of long-lived genetic interventions in mammals. We identify one small molecule whose transcriptional effects mimic diverse known genetic longevity interventions: compound 60 (Cmpd60), which is a selective inhibitor of histone deacetylase 1 (HDAC1) and 2 (HDAC2). In line with this, in a battery of molecular, phenotypic, and bioinformatic analyses, in multiple disease cell and animal models, we find that Cmpd60 treatment rejuvenates multiple organ systems. These included the kidney, brain, and heart. In renal aging, Cmpd60 reduced partial epithelial-mesenchymal transition (EMT) in vitro and decreased fibrosis in vivo . For the aging brain, Cmpd60 reduced dementia-related gene expression in vivo , effects that were recapitulated when treating the APPSWE-1349 Alzheimer mouse. In cardiac aging, Cmpd60 treatment activated favorable developmental gene expression in vivo and in line with this, improved ventricular cardiomyocyte contraction and relaxation in a cell model of cardiac hypertrophy. Our work establishes that a systemic, two-week treatment with an HDAC1/2 inhibitor serves as a multi-tissue, healthy aging intervention in mammals. This holds potential for translation towards therapeutics that promote healthy aging in humans.

Impaired insulin/IGF-1 signaling (IIS) pathway and caloric restriction (CR) are two well-established interventions to prolong lifespan in worm C. elegans. However, a cross comparison of these longevity pathways using a multi-omics integration approach is lacking. In this study, we aimed to identify key pathways and metabolite fingerprints of longevity that are shared between IIS and CR worm models using a multi-omics integration approach. We generated transcriptomics and metabolomics data from two long-lived mutant worm strains, i.e. daf-2 (impaired IIS pathway) and eat-2 (CR model) and compared them with the N2 strain. Transcriptional profiling identified shared longevity signatures between the two strains, such as an upregulation of lipid storage and defense responses and downregulation of macromolecule synthesis and developmental processes. The shared longevity signatures revealed by metabolomics profiling included an increase in the levels of glycerol-3P, ademine, xanthine, and AMP, and a decrease in the levels of the amino acid pool, the C18:0 and C17:1 fatty acids. After we integrated transcriptomics and metabolomics data based on the annotations in KEGG, our results highlighted a downregulation of pyrimidine metabolism and upregulation of purine metabolism as a commonality between the two longevity mechanisms. Overall, our findings point towards the existence of shared metabolic pathways that are likely important for lifespan extension and provide novel insights into potential regulators and metabolic fingerprints for longevity.

Metabolic homeostasis is sustained by complex biological networks responding to nutrient availability. Disruption of this equilibrium involving intricate interactions between genetic and environmental factors can lead to metabolic disorders, including obesity and type 2 diabetes. To identify the genetic factors controlling metabolism, we applied a quantitative genetic strategy using a Caenorhabditis elegans population consisting of 199 recombinant inbred lines (RILs) originally derived from crossing parental strains Bristol N2 and Hawaii CB4856. We focused on the genetic factors that control metabolite levels and measured fatty acid (FA) and amino acid (AA) composition in the 199 RILs using targeted metabolomics. For both FA and AA profiles, we observed large variation in metabolite levels with 32-82% heritability between the RILs. We performed metabolite-metabolite correlation analysis and detected strongly co-correlated metabolite clusters. To identify natural genetic variants responsible for the observed metabolite variations, we performed QTL mapping and detected 36 significant metabolite QTL (mQTL). We focused on the mQTL that displayed high significant linkage and heritability, including an mQTL for the FA C14:1 on chromosome I, and another mQTL for the FA C18:2 on chromosome IV. Using introgression lines (ILs) we were able to narrow down both mQTL to a 1.4 Mbp and a 3.6 Mbp region, respectively. Overall, this systems approach provides us with a powerful platform to study the genetic basis of C. elegans metabolism. It also allows us to investigate additional interventions, such as nutrients and stresses that maintain or disturb the regulatory network controlling metabolic homeostasis, and identify gene-by-environment interactions.

The deregulation of metabolism is a hallmark of aging. As such, changes in the expression of metabolic genes and the profiles of amino acid levels are features associated with aging animals. We previously reported that the levels of most amino acids decline with age in Caenorhabditis elegans (C. elegans). Glycine, in contrast, substantially accumulates in aging C. elegans. In this study we show that this is coupled to a decrease in gene expression of enzymes important for glycine catabolism. We further show that supplementation of glycine significantly prolongs C. elegans lifespan and ameliorates specific transcriptional changes that are associated with aging. Glycine feeds into the methionine cycle. We find that mutations in components of this cycle, methionine synthase (metr-1) and S-adenosylmethionine synthetase (sams-1), completely abrogate glycine-induced lifespan extension. Strikingly, the beneficial effects of glycine supplementation are conserved when we supplement with serine, also driving the methionine cycle. RNA sequencing of serine- and glycine-supplemented worms reveals similar transcriptional profiles including widespread gene suppression. Taken together, these data uncover a novel role of glycine in the deceleration of aging through its function in the methionine cycle.

ABSTRACT Maintaining mitochondrial function is critical to an improved health span and lifespan. Introducing mild stress by inhibiting mitochondrial translation invokes the mitochondrial unfolded protein response (UPR mt ) and increases lifespan in several animal models. Notably, lower mitochondrial ribosomal protein (MRP) expression also correlates with increased lifespan in a reference population of mice. In this study, we tested whether partially reducing the expression of a critical MRP, Mrpl54 , reduced mitochondrial DNA-encoded protein content, induced the UPR mt , and affected lifespan or metabolic health using germline heterozygous Mrpl54 mice. Despite reduced Mrpl54 expression in multiple organs and a reduction in mitochondrial-encoded protein expression in myoblasts, we identified few significant differences between male or female Mrpl54 +/- and wild type mice in initial body composition, respiratory parameters, energy intake and expenditure, or ambulatory motion. We also observed no differences in glucose or insulin tolerance, treadmill endurance, cold tolerance, heart rate, or blood pressure. There were no differences in median life expectancy or maximum lifespan. Overall, we demonstrate that genetic manipulation of Mrpl54 expression reduces mitochondrial-encoded protein content but is not sufficient to improve healthspan in otherwise healthy and unstressed mice.