Uncovering a sugar tolerance network : SIK3 and Cabut as downstream effectors of Mondo-Mlx

Abstract

Simple carbohydrates constitute a big part of our everyday diet, as significant consumption increases have occurred in recent decades. This has coincided with a dramatic rise in people suffering from metabolic disorders, such as diabetes and obesity. However, the genetic factors ensuring a healthy response to sugar intake remain poorly understood. To keep blood glucose in a healthy range even upon overnight fasting or following a rich meal, animals need to be able to adapt quickly. In a healthy organism, high sugar intake leads to rapid conversion of excess sugars into stored glycogen and triacylglycerols, while starvation triggers glucose production through gluconeogenesis and glycogen breakdown. To cope with these fluctuating nutritional conditions organisms possess glucose-sensing mechanisms. Such pathways have a key role in monitoring changes in cellular and organismal nutrient status and readjusting animal physiology accordingly to maintain homeostasis. Intracellular sugar metabolites are sensed by the conserved Mondo family transcription factors (TFs)(MondoA and MondoB/ChREBP in mammals, Mondo in Drosophila), which act together with TF Mlx. Together, they control the expression of metabolic target genes by binding to the carbohydrate response elements present in their promoters. The known Mondo-Mlx targets include genes involved in carbohydrate metabolism and biosynthesis of fatty acids. Yet, the physiological output of these transcription factors has remained largely elusive. As these TFs are very well conserved in Drosophila, this model organism has been used in this thesis to understand the physiological role of Mondo-Mlx and their target genes in vivo. We show that Mondo-Mlx interact in the fly and are crucial for dietary sugar tolerance. Loss of either transcription factor leads to impaired growth and lethality upon high sugar diet. We further characterize the mlx mutant phenotype to reveal high circulating glucose, and increased glycogen levels. We uncover transcriptional repressor Cabut as a direct target of Mondo-Mlx. The Cabut promoter is directly bound by Mondo-Mlx in a sugar-dependent manner. Loss of Cabut similarly results in dietary sugar intolerance, pointing to a crucial function in carbohydrate metabolism. Mondo-Mlx through Cabut are essential for repressing the expression of pepck – the rate limiting gene in gluconeogenesis and glyceroneogenesis. A failure to regulate this step results in pepck over-expression, leading to several fold higher levels of circulating glycerol, and pupal lethality of mlx mutants. Moreover, we reveal that Cabut interconnects nutrient sensing with the circadian clock, and contributes to circadian gene expression oscillation. We also identify Salt inducible kinase 3 (SIK3) as a direct transcriptional target of Mondo-Mlx required for dietary sugar tolerance. Moreover, we show that the activity of the rate-limiting enzyme in the pentose phosphate pathway, glucose-6-phosphate dehydrogenase (G6PD), is increased following sugar feeding. The sugar-augmented increase in G6PD activity is achieved through SIK3-dependent activating G6PD phosphorylation. Collectively, Mondo-Mlx-mediated transcriptional upregulation, as well as SIK3-dependent phosphorylation promote G6PD enzyme activity in response to high high sugar diet. The increased G6PD activity is required for elevating NADPH/NADP+ ratio in order to reduce glutathione in high sugar conditions. We determine that upregulating G6PD activity through Mondo-Mlx and SIK3 is essential for redox balance maintenance, and dietary sugar tolerance. In sum, thesis demonstrates that maintaining redox balance, directing the flow of carbon backbones, and regulating the expression of metabolic circadian genes is essential for dietary sugar tolerance. We highlight the central role of Mondo-Mlx in orchestrating the necessary transcriptional response required for safe glucose utilization, and ultimately, for maintaining metabolic homeostasis.Yksinkertaiset hiilihydraatit, sokerit, ovat merkittävä osa päivittäistä ravintoamme ja sokerien kulutus on lisääntynyt huomattavasti viime vuosikymmeninä. Samanaikaisesti metabolisten sairauksien, kuten diabeteksen ja lihavuuden, esiintyvyys on lisääntynyt voimakkaasti. Ymmärrämme kuitenkin edelleen huonosti, miten yksilön geenit vaikuttavat ruuan sokerien aiheuttamiin terveysriskeihin. Eläimet pystyvät nopeasti sopeuttamaan elimistönsä aineenvaihdunnan muuttuviin ravitsemusolosuhteisiin. Näinollen esimerkiksi veren glukoosi pysyy tasapainossa aterian jälkeen. Tämä on mahdollista, koska elimistössä on ns. glukoosinaistintamekanismeja, jotka toimivat hormonaalisesti (esim. insuliini ja glukagoni) tai paikallisesti solujen sisällä. Nämä mekanismit reagoivat elimistön muuttuviin glukoosipitoisuuksiin ja muuttavat eläimen fysiologiaa niin, että aineenvaihdunnan tasapaino palautuu. Solun sisäisen glukoosinaistinnan kulmakiviä ovat Mondo-transkriptiotekijät ChREBP (MondoB) ja MondoA, jotka toimivat yhdessä Mlx transkriptiotekijän kanssa. ChREBP/MondoA-Mlx-kompleksi aktivoituu solunsisäisen glukoosin lisääntyessä ja se säätelee monia aineenvaihduntaan vaikuttavia geenejä. Monet aineenvaihdunnan säätelyyn vaikuttavat mekanismit ovat evoluutiossa hyvin säilyneitä, joten ne ovat samankaltaisia ihmisellä ja yksinkertaisemmilla eläimillä, kuten banaanikärpäsellä (Drosophila melanogaster). Tämä mahdollistaa aineenvaihdunnan säätelyn perusmekanismien tutkimisen käyttäen Drosophilaa tutkimusmallina. Myös Drosophilalla on solunsisäinen glukoosinaistintajärjestelmä, joka on hieman yksinkertaisempi kuin ihmisellä: Drosophilalla on yksi Mondo-transkriptiotekijä ja yksi Mlx. Niiden toimintaa ei ollut juurikaan aiemmin tutkittu. Tässä väitöstyössä osoitimme, että Drosophilan Mondo ja Mlx muodostavat yhdessä samanlaisen kompleksin kuin ihmisellä. Lisäksi havaitsimme, että toiminnallinen Mondo-Mlx kompleksi on välttämätön edellytys Drosophilan kyvylle säilyä hengissä sokeripitoisella ravinnolla. Lisäksi löysimme useita Mondo-Mlx:n säätelemiä tekijöitä, jotka osallistuvat solunsisäiseen glukoosinaistintaan. Yksi näistä on transkriptiotekijä Cabut, joka vaikuttaa solunsisäiseen glukoosiaineenvaihduntaan inhiboimalla gluko- ja glyseroneogeneesiä. Lisäksi Cabut toimii yhdistävänä linkkinä glukoosiaineenvaihdunnan ja vuorokausirytmin säätelyn välillä. Toinen löytämämme Mondo-Mlx:n kohdegeeni on SIK3, joka on aineenvaihduntaa säätelevä kinaasi. Me havaitsimme, että SIK3 säätelee solujen hapetus-pelkistys-tasapainoa, mikä puolestaan on keskeinen säätelykohde eläinten sokerinsietokyvyn kannalta. Yhteenvetona, tässä työssä on löydetty uusia säätelyverkostoja, jotka mahdollistavat eläimen fysiologisen adaptoitumisen sokeripitoiseen ravintoon. Koska väitöstyössä tutkitut säätelijät ovat evoluutiossa hyvin säilyneitä, saavuttamamme tieto saattaa olla tärkeää myös ihmisen aineenvaihduntasairauksien näkökulmasta