Spatially resolved metabolomics and isotope tracing reveal dynamic metabolic responses of dentate granule neurons with acute stimulation

代谢组学 代谢组 刺激 糖酵解 化学 代谢物 神经科学 肌苷 生物 生物化学 细胞生物学 生物物理学 新陈代谢 腺苷 色谱法
作者
Anne Miller,Elisa M. York,Sylwia A. Stopka,Juan Ramón Martínez‐François,Md Amin Hossain,Gerard Baquer,Michael S. Regan,Nathalie Y.R. Agar,Gary Yellen
出处
期刊:Nature metabolism [Nature Portfolio]
卷期号:5 (10): 1820-1835 被引量:44
标识
DOI:10.1038/s42255-023-00890-z
摘要

Neuronal activity creates an intense energy demand that must be met by rapid metabolic responses. To investigate metabolic adaptations in the neuron-enriched dentate granule cell (DGC) layer within its native tissue environment, we employed murine acute hippocampal brain slices, coupled with fast metabolite preservation and followed by mass spectrometry (MS) imaging, to generate spatially resolved metabolomics and isotope-tracing data. Here we show that membrane depolarization induces broad metabolic changes, including increased glycolytic activity in DGCs. Increased glucose metabolism in response to stimulation is accompanied by mobilization of endogenous inosine into pentose phosphates via the action of purine nucleotide phosphorylase (PNP). The PNP reaction is an integral part of the neuronal response to stimulation, because inhibition of PNP leaves DGCs energetically impaired during recovery from strong activation. Performing MS imaging on brain slices bridges the gap between live-cell physiology and the deep chemical analysis enabled by MS. Miller et al. use fast thermal preservation and mass spectrometry imaging to reveal rapid neuron-layer metabolic responses to stimulation within a brain slice. Stimulation increases glucose use and converts spent ATP into metabolic fuel, via inosine.
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