β-hydroxybutyrate is a metabolic regulator of proteostasis in the aged and Alzheimer disease brain

蛋白质稳态 神经退行性变 离体 体内 生物化学 淀粉样蛋白(真菌学) 蛋白质聚集 生物 阿尔茨海默病 调节器 细胞生物学 自噬 氧化应激 蛋白质组学 化学 体外 疾病 内科学 医学 遗传学 基因 细胞凋亡 植物
作者
Sidharth S. Madhavan,Stephanie Roa Diaz,Sara Peralta,Mitsunori Nomura,CD King,Amy Lin,Dipa Bhaumik,Shalini Shah,Thanh Blade,Wyatt Gray,Manish Chamoli,Brenda Eap,Oishika Panda,Diego A. Diaz,TY Garcia,BJ Stubbs,GJ Lithgow,Birgit Schilling,Eric Verdin,AR Chaudhuri,JC Newman
标识
DOI:10.1101/2023.07.03.547547
摘要

SUMMARY Loss of proteostasis is a hallmark of aging and Alzheimer disease (AD). Here, we identify β-hydroxybutyrate (βHB), a ketone body, as a regulator of protein solubility in the aging brain. βHB is a small molecule metabolite which primarily provides an oxidative substrate for ATP during hypoglycemic conditions, and also regulates other cellular processes through covalent and noncovalent protein interactions. We demonstrate βHB-induced protein insolubility across in vitro , ex vivo , and in vivo mouse systems. This activity is shared by select structurally similar metabolites, is not dependent on covalent protein modification, pH, or solute load, and is observable in mouse brain in vivo after delivery of a ketone ester. Furthermore, this phenotype is selective for pathological proteins such as amyloid-β, and exogenous βHB ameliorates pathology in nematode models of amyloid-β aggregation toxicity. We have generated a comprehensive atlas of the βHB-induced protein insolublome ex vivo and in vivo using mass spectrometry proteomics, and have identified common protein domains within βHB target sequences. Finally, we show enrichment of neurodegeneration-related proteins among βHB targets and the clearance of these targets from mouse brain, likely via βHB-induced autophagy. Overall, these data indicate a new metabolically regulated mechanism of proteostasis relevant to aging and AD.
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