STAT3-induced metabolic reprogramming in post-ischemic astrocytes and the further impact on neuronal respiration and synaptogenesis
Activation of the signal transducer and activator of transcription (STAT) 3 is characteristic for a subpopulation of perilesional reactive astrocytes after stroke. Reactive astrocytes are crucial for sealing the injury in the post-ischemic brain. However, reactive astrogliosis diminishes the astrocytic neuroprotective properties in many neurodegenerative diseases. Based on previous knowledge indicating that STAT3 regulates the metabolic response in various disease models, this study explores the role of STAT3 signaling in metabolic reprogramming of an ischemia/reperfusion (I/R) model comprised of cultured astrocytes and their co-cultured neurons.
This study addresses the crosstalk between STAT3, hypoxic inducible factor (HIF) and pyruvate kinase M (PKM) 2 in I/R astrocytes, which were activated or inhibited for STAT3 canonical signaling by Interleukin 6 (IL6) or Stattic. Next, the metabolic properties and glycogen deposits in STAT3-activated or inhibited I/R astrocytes were analyzed. In addition, the impact of glycogen mobilization on astrocytic mitochondrial respiration and reducing capacity were addressed. Finally, the response from neurons co-cultured with STAT3 activated or inhibited I/R astrocytes was studied in terms of mitochondrial respiration and synaptic/neurite density. Further, STAT3 signaling and metabolic properties of glucose/glutamine-deprived astrocytes and their impact on co-cultured neurons were analyzed.
Our data reveal that a network of STAT3, PKM2, and HIF signaling drives a glycolytic profile in I/R astrocytes, circumventing mitochondrial respiration. Consumption of glycogen boosts mitochondrial turnover in STAT3-inhibited I/R astrocytes supporting mitochondrial respiration and synapses of co-cultured neurons. In contrast, STAT3-activated I/R astrocytes with compromised mitochondria induce mitochondrial impairment and synapse degradation in co-cultured neurons, indicating that STAT3 signaling in I/R astrocytes abolishes astrocytic mitochondrial-relevant support for neurons. On the contrary, consecutive STAT3 signaling in glucose-deprived astrocytes boosts mitochondrial respiration and protects synapses in co-cultured neurons. However, glutamine depletion does not activate STAT3 transcriptional properties, induces mitochondrial ROS, and fails to support the co-cultured neurons' mitochondrial respiration and synapses.
charakteristisch für eine Subpopulation perilesionaler reaktiver Astrozyten nach einem Schlaganfall. Reaktive Astrozyten sind für die Versiegelung der Verletzung im postischämischen Gehirn von entscheidender Bedeutung. Die reaktive Astrogliose beeinträchtigt jedoch die neuroprotektiven Eigenschaften der Astrozyten bei vielen neurodegenerativen Erkrankungen. Ausgehend von früheren Erkenntnissen, die darauf hindeuten, dass STAT3 Stoffwechselreaktionen in verschiedenen Krankheitsmodellen reguliert, wird in dieser Studie die Rolle der STAT3-Signalübertragung bei der metabolischen Reprogrammierung eines Ischämie/Reperfusionschadens (I/R) untersucht, anhand eines Modells, das aus kultivierten Astrozyten und deren co-kultiviereten Neuronen besteht. Diese Studie befasste sich mit der Wechselwirkung von STAT3, dem hypoxischen induzierbaren Faktor (HIF) und der Pyruvatkinase M (PKM) 2 in I/R-Astrozyten, die für die kanonische STAT3-Signalgebung durch Interleukin 6 (IL6) oder Stattic aktiviert bzw. gehemmt wurden. Anschließend wurden die Stoffwechseleigenschaften und Glykogenablagerungen in STAT3-aktivierten oder gehemmten I/R-Astrozyten sowie die Auswirkungen der Glykogenmobilisierung auf die mitochondriale Atmung der Astrozyten analysiert. Schließlich wurden Neuronen, die mit STAT3-aktivierten oder gehemmten I/R-Astrozyten co-kultiviert sind, im Hinblick auf die mitochondriale Atmung und die Synapsen-/Neuritendichte untersucht. Darüber hinaus wurden die STAT3-Signalübertragung und die metabolischen Eigenschaften von Astrozyten unter Glukose-/Glutamin-Entzug untersucht und ihre Auswirkungen auf co-kultivierte Neuronen analysiert. Unsere Daten zeigen, dass STAT3-, PKM2- und HIF-Signalwege ein glykolytisches Profil in I/R-Astrozyten fördern, wodurch die mitochondriale Atmung umgangen wird. Der Verbrauch von Glykogen steigert den mitochondrialen Umsatz in STAT3-inhibierten I/R-Astrozyten und unterstützt so die mitochondriale Atmung und die Synapsen der co-kultivierte Neuronen. STAT3-aktivierte I/R-Astrozyten führen zu mitochondrialer Beeinträchtigung und Synapsenabbau in co-kultivierte Neuronen, was darauf hindeutet, dass STAT3-Signale in I/R-Astrozyten die astrozytäre mitochondriale Unterstützung für Neuronen verringern. Im Gegensatz dazu steigert eine konsekutive STAT3-Aktivierung in Astrozyten unter Glukoseentzug die mitochondriale Atmung und schützt Synapsen in co-kultivierte Neuronen. Der Mangel an Glutamin aktiviert jedoch nicht die Transkriptionseigenschaften von STAT3, induziert mitochondriales ROS und unterstützt nicht die mitochondriale Atmung der co-kultivierte Neuronen und die Synapsen.