Universität zu Köln

Tutas, Janine ORCID: 0000-0001-5795-3505 (2024). Autophagy regulator ATG5 maintains cerebellar function by preventing excessive glycolytic activity. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Autophagy is an evolutionary conserved catabolic process that provides nutrients to maintain cellular homeostasis. Under physiological and stress conditions, cytosolic components are sequestered into autophagosomes and ultimately delivered to lysosomes for degradation. This role of autophagy is critical in neurons because of their postmitotic nature. Autophagy is believed to contribute to neuronal health by eliminating defective proteins and organelles. However, recent studies show that neurons are resistant to autophagy-deficiency in-vivo, with an exception of cerebellar Purkinje cells, which are selectively vulnerable to autophagy loss, compared to forebrain GABAergic neurons. This study aims to understand the cell-type specific vulnerability of Purkinje cells to autophagy loss. The cerebellum of conditional ATG5 knockout (cKO) mice is highly glycolytic, whereas these changes are not observed in ATG5- deficient cortex. These alterations depend on glucose transporter 2 (GLUT2), which is degraded in Purkinje cells by autophagy. Loss of ATG5 results in increased GLUT2 levels, a phenotype that leads to elevated levels of glycolysis-derived metabolites such as lactate, serine and ATP without affecting mitochondrial respiration. Progressive Purkinje cell degeneration in ATG5 cKO animals results in impairment in motor coordination such as motor balance. Concomitant loss of GLUT2 in ATG5 cKO cerebellum mitigates glycolytic metabolism and ameliorates Purkinje cell loss, resulting in improved motor coordination. This research suggests that the selective vulnerability of Purkinje cells under dysfunctional autophagy conditions stems from a metabolic shift towards glycolysis induced by elevated GLUT2 expression. The detrimental effects of excessive glycolysis on Purkinje cells highlight the significance of maintaining low glycolytic activity, offering a potential avenue to extend their survival even in the absence of functional autophagy.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Autophagie ist ein evolutionär konservierter katabolischer Prozess, der Nährstoffe zur Aufrechterhaltung der zellulären Homöostase liefert. Unter physiologischen und stressinduzierten Bedingungen werden zytosolische Komponenten in Autophagosomen gesammelt und anschließend in Lysosomen abgebaut. Diese Rolle der Autophagie ist in Neuronen aufgrund ihrer postmitotischen Natur von entscheidender Bedeutung. Es wird angenommen, dass Autophagie zur neuronalen Gesundheit beiträgt, indem sie defekte Proteine und Organellen eliminiert. Jüngste Studien zeigen, dass Neuronen in vivo resistent gegen Autophagiemangel sind, mit Ausnahme von Purkinjezellen im Kleinhirn, die im Vergleich zu GABAergen Neuronen im Vorderhirn selektiv anfällig für Autophagieverlust sind. Diese Studie versucht, die zelltypspezifische Anfälligkeit für Autophagieverlust in Purkinjezellen zu verstehen. Dabei wird gezeigt, dass das Kleinhirn von ATG5 cKO Mäusen stark glykolytisch ist, wohingegen diese Veränderungen im ATG5 cKO Kortex nicht beobachtet werden. Diese Veränderungen hängen vom Glukosetransporter 2 (GLUT2) ab, der in Purkinjezellen durch Autophagie abgebaut wird. Der Verlust von ATG5 führt zu erhöhten GLUT2-Leveln, was zu erhöhter Menge von Glykolyse-stammender Metabolite wie Laktat, Serin und ATP führt, ohne die Mitochondrienatmung zu beeinträchtigen. Die fortschreitende Degeneration von Purkinjezellen bei ATG5 cKO Tieren führt zu einer Beeinträchtigung der motorischen Koordination, wie des motorischen Gleichgewichts. Der gleichzeitige Verlust von GLUT2 im ATG5 cKO Kleinhirn reduziert den glykolytischen Stoffwechsel. Darüber hinaus zeigen diese Mäuse weniger Verlust von Purkinjezellen und eine verbesserte motorische Koordination. Insgesamt weist diese Studie darauf hin, dass die Anfälligkeit der Purkinjezellen durch eine metabolische Umstellung auf Glykolyse verursacht wird, die durch erhöhte Level von GLUT2 unter autophagiedefizienten Bedingungen bedingt ist. UNSPECIFIED
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Tutas, Janine jtutas@uni-koeln.de orcid.org/0000-0001-5795-3505 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-727031
Date:	2024
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	CECAD - Cluster of Excellence Cellular Stress Responses in Aging-Associated Diseases
Subjects:	Natural sciences and mathematics Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Autophagy, cerebellum, Purkinje cells, Ataxia, glucose metabolism English
Date of oral exam:	26 February 2024
Referee:	Name Academic Title Kononenko, Natalia Prof. Dr. Büschges, Ansgar Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/72703