Neuronal activity-driven O-GlcNAcylation promotes mitochondrial plasticity

生物能学 生物 线粒体 运动前神经元活动 细胞生物学 海马结构 神经科学 生物化学
作者
Seungyoon B. Yu,Haoming Wang,Richard G. Sánchez,Natasha M. Carlson,Khanh Q. Nguyen,Andrew Zhang,Zachary D. Papich,Ahmed A. Abushawish,Zachary Whiddon,Weronika Matysik,Jie Zhang,Thomas Whisenant,Majid Ghassemian,John N. Koberstein,Melissa L. Stewart,Samuel A. Myers,Gülçin Pekkurnaz
出处
期刊:Developmental Cell [Elsevier]
卷期号:59 (16): 2143-2157.e9 被引量:8
标识
DOI:10.1016/j.devcel.2024.05.008
摘要

Neuronal activity is an energy-intensive process that is largely sustained by instantaneous fuel utilization and ATP synthesis. However, how neurons couple ATP synthesis rate to fuel availability is largely unknown. Here, we demonstrate that the metabolic sensor enzyme O-linked N-acetyl glucosamine (O-GlcNAc) transferase regulates neuronal activity-driven mitochondrial bioenergetics in hippocampal and cortical neurons. We show that neuronal activity upregulates O-GlcNAcylation in mitochondria. Mitochondrial O-GlcNAcylation is promoted by activity-driven glucose consumption, which allows neurons to compensate for high energy expenditure based on fuel availability. To determine the proteins that are responsible for these adjustments, we mapped the mitochondrial O-GlcNAcome of neurons. Finally, we determine that neurons fail to meet activity-driven metabolic demand when O-GlcNAcylation dynamics are prevented. Our findings suggest that O-GlcNAcylation provides a fuel-dependent feedforward control mechanism in neurons to optimize mitochondrial performance based on neuronal activity. This mechanism thereby couples neuronal metabolism to mitochondrial bioenergetics and plays a key role in sustaining energy homeostasis.
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