Metabolische Kontrolle der Funktion von embryonalen Stammzellen durch AMDHD2 im Hexosamin-Syntheseweg

• Antragstellerin: Dr. Ina Huppertz, seit 12/2022
• Fachliche Zuordnung: Zellbiologie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 458980033

Der Energiemetabolismus embryonaler Stammzellen zeichnet sich durch die anaerobe Glykolyse aus, während der Citratzyklus Substrate für die Biosynthese herstellt. Oxidative Phosphorylierung nimmt mit der Differenzierung von Stammzellen zu, während die Glykolyse wiederum bei der Reprogrammierung zu pluripotenten Stammzellen favorisiert wird. Die kausalen Verbindungen zwischen metabolischem Status und der Stammzellfunktion sind jedoch derzeit nur teilweise geklärt. Der Hexosamin-Syntheseweg (HSW) nutzt Fruktose-6-Phosphat, Glutamin, Acetyl-CoA und UTP, um 5’-Diphospho-N-Acetyl-D-Glucosamin (UDP-GlcNAc) zu produzieren. UDP-GlcNAc ist das Substrat verschiedener Glykosylierungsreaktionen. Durch genetische Screens haben wir eine besondere Konfiguration des HSW in embryonalen Stammzellen von Mäusen (mESC) beschreiben können: 1) während der HSW in den meisten Zellen durch das Schlüsselenzym Glutamin-Fructose-6-Phosphat Amidotransferase 1 (GFAT-1) reguliert ist, wird der HSW in mESC von GFAT-2 kontrolliert. 2) GFAT-1 wird vom HSW Produkt UDP-GlcNAc inhibiert, während GFAT-2 einer viel schwächeren Inhibition unterliegt. 3) Die Decarboxylase AMDHD2 ist ein HSW Enzym, das die UDP-GlcNAc Konzentration speziell in mESC kontrolliert. AMDHD2 Knockout führt zu früher embryonaler Letalität, was auf eine Rolle in Differenzierung und Entwicklung hindeutet. Die Konfiguration des HSW in mESCs beinhaltet überraschenderweise einen unkontrollierten Substratzyklus, welcher Fruktose-6-Phosphat, Glutamin und Acetyl-CoA konsumiert. Der Substratzyklus positioniert den HSW plausibel an den Überschneidungspunkten von Glykolyse und Citratzyklus. mESC zeigen weiterhin höhere UDP-GlcNAc Konzentrationen im Vergleich zu differenzierteren Zellen, was Auswirkungen auf nachgeschaltete Glykosylierungsreaktionen haben kann. Hier möchte ich die Rolle des HSW in der Funktion von mESC aufklären. Erstens werden wir die Auswirkungen eines veränderten HSW auf den Erhalt und die Differenzierung von mESC untersuchen und dann die Relevanz des HSW in der Reprogrammierung zur Pluripotenz testen. Wir werden fragen, ob dies mit möglichen Veränderungen der Glykosylierung zusammenhängt. Zweitens werden wir metabolische Flussanalysen durchführen, um den Substratzyklus des HSW und seine wahrscheinlichen Auswirkungen auf den Citratzyklus zu charakterisieren. Der Substratzyklus zeichnet mESC aus, möglicherweise um sensitive und schnelle Regulation durch die Interaktion mit anderen Energiestoffwechselwegen zu ermöglichen. Sodann werden wir die potentielle Rolle des HSW in der Ausprägung und im Erhalt des mESC-spezifischen metabolischen Profils untersuchen. Letztlich werden wir fragen, ob die GFAT-1- oder GFAT-2-kontrollierte HSW Konfiguration Schalterfunktion in der metabolischen Kontrolle von Differenzierung und Reprogrammierung hat.Die hier vorgeschlagene Arbeit wird zu einem mechanistischen Verständnis des HSW im Metabolismus und der Funktion von embryonalen Stammzellen führen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemalige Antragsteller: Dr. Martin Denzel, bis 12/2021; Dr. Patrick Giavalisco, von 1/2022 bis 11/2022