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.

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.

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.

SUMMARY NOD-like receptors (NLRs) are pattern recognition receptors for diverse innate immune responses. Self-oligomerization after engagement with a ligand was a generally accepted model for the activation of each NLR. We report here that a catalyzer is required for the self-oligomerization. Protein pelota homolog (PELO, Dom34 in yeast), a well-known surveillance factor in translational quality control/ribosome rescue, interacts with all cytosolic NLRs and activates their ATPase. In the case of flagellin-initiated NLRC4 inflammasome activation, flagellin-bound NAIP5 recruits the first NLRC4 and then PELO is required for correctly assembling the rest of NLRC4s into the NLRC4 complex one by one by activating the NLRC4 ATPase. Stoichiometric and functional data revealed that PELO cannot be a structural constituent of NLRC4 inflammasome but a powerful catalyzer for its assembly. The catalytic role of PELO in the activation of cytosolic NLRs is unexpected and may break new ground for future studies of NLR family members.