Published September 23, 2020 | Version v1
Publication Open

Effect of β-Hydroxybutyrate on Autophagy Dynamics During Severe Hypoglycemia and the Hypoglycemic Coma

  • 1. Universidad Nacional Autónoma de México

Description

Glucose supply from blood is mandatory for brain functioning and its interruption during acute hypoglycemia or cerebral ischemia leads to brain injury. Alternative substrates to glucose such as the ketone bodies (KB), acetoacetate (AcAc), and β-hydroxybutyrate (BHB), can be used as energy fuels in the brain during hypoglycemia and prevent neuronal death, but the mechanisms involved are still not well understood. During glucose deprivation adaptive cell responses can be activated such as autophagy, a lysosomal-dependent degradation process, to support cell survival. However, impaired or excessive autophagy can lead to cell dysfunction. We have previously shown that impaired autophagy contributes to neuronal death induced by glucose deprivation in cortical neurons and that D isomer of BHB (D-BHB) reestablishes the autophagic flux increasing viability. Here, we aimed to investigate autophagy dynamics in the brain of rats subjected to severe hypoglycemia (SH) without glucose infusion (GI), severe hypoglycemia followed by GI (SH + GI), and a brief period of hypoglycemic coma followed by GI (Coma). The effect of D-BHB administration after the coma was also tested (Coma + BHB). The transformation of LC3-I to LC3-II and the abundance of autophagy proteins, Beclin 1 (BECN1), ATG7, and ATG12-ATG5 conjugate, were analyzed as an index of autophagosome formation, and the levels of sequestrosome1/p62 (SQSTM1/p62) were determined as a hallmark of autophagic degradation. Data suggest that autophagosomes accumulate in the cortex and the hippocampus of rats after SH, likely due to impaired autophagic degradation. In the cortex, autophagosome accumulation persisted at 6 h after GI in animals exposed to SH but recovered basal levels at 24 h, while in the hippocampus no significant effect was observed. In animals subjected to coma, autophagosome accumulation was observed at 24 h after GI in both regions. D-BHB treatment reduced LC3-II and SQSTM1/p62 content and reduced ULK1 phosphorylation by AMPK, suggesting it stimulates the autophagic flux and decreases AMPK activity reducing autophagy initiation. D-BHB also reduced the number of degenerating cells. Together, data suggest different autophagy dynamics after GI in rats subjected to SH or the hypoglycemic coma and support that D-BHB treatment can modulate autophagy dynamics favoring the autophagic flux.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

إمداد الجلوكوز من الدم إلزامي لعمل الدماغ وانقطاعه أثناء نقص السكر في الدم الحاد أو نقص التروية الدماغية يؤدي إلى إصابة الدماغ. يمكن استخدام ركائز بديلة للجلوكوز مثل أجسام الكيتون (KB) والأسيتو أسيتات (AcAc) وبيتا هيدروكسي بيوتيرات (BHB) كوقود طاقة في الدماغ أثناء نقص السكر في الدم ومنع موت الخلايا العصبية، ولكن الآليات المعنية لا تزال غير مفهومة جيدًا. أثناء الحرمان من الجلوكوز، يمكن تنشيط استجابات الخلايا التكيفية مثل البلعمة الذاتية، وهي عملية تحلل تعتمد على الجسيمات الحالّة، لدعم بقاء الخلية. ومع ذلك، يمكن أن يؤدي الالتهام الذاتي الضعيف أو المفرط إلى خلل وظيفي في الخلايا. لقد أظهرنا سابقًا أن البلعمة الذاتية الضعيفة تساهم في موت الخلايا العصبية الناجم عن الحرمان من الجلوكوز في الخلايا العصبية القشرية وأن الأيزومر D لـ BHB (D - BHB) يعيد تأسيس التدفق الذاتي الذي يزيد من قابلية البقاء. هنا، كنا نهدف إلى التحقيق في ديناميكيات الالتهام الذاتي في دماغ الفئران المعرضة لنقص السكر في الدم الحاد (SH) دون تسريب الجلوكوز (GI)، ونقص السكر في الدم الحاد يليه GI (SH + GI)، وفترة وجيزة من غيبوبة نقص السكر في الدم تليها GI (غيبوبة). كما تم اختبار تأثير إعطاء D - BHB بعد الغيبوبة (الغيبوبة + BHB). تم تحليل تحول LC3 - I إلى LC3 - II ووفرة بروتينات الالتهام الذاتي، بيكلين 1 (BECN1)، ATG7، و ATG12 - ATG5 مترافق، كمؤشر لتكوين البلعمة الذاتية، وتم تحديد مستويات السنيستروسوم 1/p62 (SQSTM1/p62) كعلامة مميزة لتدهور الالتهام الذاتي. تشير البيانات إلى أن البلعوم الذاتي يتراكم في القشرة والحصين من الفئران بعد SH، ويرجع ذلك على الأرجح إلى ضعف تدهور البلعمة الذاتية. في القشرة الدماغية، استمر تراكم البلعمة الذاتية في 6 ساعات بعد تعرض الجهاز الهضمي في الحيوانات لـ SH لكنه استعاد المستويات القاعدية في 24 ساعة، بينما في قرن آمون لم يلاحظ أي تأثير كبير. في الحيوانات التي تعرضت للغيبوبة، لوحظ تراكم البلعمة الذاتية في 24 ساعة بعد الجهاز الهضمي في كلا المنطقتين. يقلل علاج D - BHB من محتوى LC3 - II و SQSTM1/p62 ويقلل من فسفرة ULK1 بواسطة AMPK، مما يشير إلى أنه يحفز تدفق الالتهام الذاتي ويقلل من نشاط AMPK مما يقلل من بدء الالتهام الذاتي. كما قلل D - BHB من عدد الخلايا المتحللة. تشير البيانات معًا إلى ديناميكيات البلعمة الذاتية المختلفة بعد الجهاز الهضمي في الفئران المعرضة لـ SH أو غيبوبة نقص السكر في الدم وتدعم أن علاج D - BHB يمكن أن يعدل ديناميكيات البلعمة الذاتية لصالح تدفق البلعمة الذاتية.

Translated Description (French)

L'apport de glucose à partir du sang est obligatoire pour le fonctionnement du cerveau et son interruption lors d'une hypoglycémie aiguë ou d'une ischémie cérébrale entraîne des lésions cérébrales. Des substrats alternatifs au glucose tels que les corps cétoniques (KB), l'acétoacétate (AcAc) et le β-hydroxybutyrate (BHB) peuvent être utilisés comme carburants énergétiques dans le cerveau pendant l'hypoglycémie et prévenir la mort neuronale, mais les mécanismes impliqués ne sont toujours pas bien compris. Pendant la privation de glucose, des réponses cellulaires adaptatives peuvent être activées telles que l'autophagie, un processus de dégradation dépendant du lysosome, pour soutenir la survie cellulaire. Cependant, une autophagie altérée ou excessive peut entraîner un dysfonctionnement cellulaire. Nous avons précédemment montré que l'altération de l'autophagie contribue à la mort neuronale induite par la privation de glucose dans les neurones corticaux et que l'isomère D de BHB (D-BHB) rétablit le flux autophagique augmentant la viabilité. Ici, nous avons cherché à étudier la dynamique de l'autophagie dans le cerveau de rats soumis à une hypoglycémie sévère (SH) sans perfusion de glucose (GI), à une hypoglycémie sévère suivie d'une GI (SH + GI) et à une brève période de coma hypoglycémique suivie d'une GI (Coma). L'effet de l'administration de D-BHB après le coma a également été testé (Coma + BHB). La transformation de LC3-I en LC3-II et l'abondance des protéines d'autophagie, Beclin 1 (BECN1), ATG7 et le conjugué ATG12-ATG5, ont été analysés comme un indice de formation d'autophagosomes, et les niveaux de séquestrosome1/p62 (SQSTM1/p62) ont été déterminés comme une caractéristique de la dégradation autophagique. Les données suggèrent que les autophagosomes s'accumulent dans le cortex et l'hippocampe des rats après SH, probablement en raison d'une dégradation autophagique altérée. Dans le cortex, l'accumulation d'autophagosomes a persisté 6 h après l'IG chez les animaux exposés à la SH mais a récupéré les niveaux basaux à 24 h, tandis que dans l'hippocampe, aucun effet significatif n'a été observé. Chez les animaux soumis au coma, une accumulation d'autophagosomes a été observée 24 h après l'IG dans les deux régions. Le traitement par D-BHB a réduit la teneur en LC3-II et en SQSTM1/p62 et réduit la phosphorylation de l'ULK1 par l'AMPK, suggérant qu'il stimule le flux autophagique et diminue l'activité de l'AMPK réduisant l'initiation de l'autophagie. Le D-BHB a également réduit le nombre de cellules en dégénérescence. Ensemble, les données suggèrent différentes dynamiques d'autophagie après GI chez les rats soumis à la SH ou au coma hypoglycémique et soutiennent que le traitement par D-BHB peut moduler la dynamique d'autophagie en favorisant le flux autophagique.

Translated Description (Spanish)

El suministro de glucosa de la sangre es obligatorio para el funcionamiento del cerebro y su interrupción durante la hipoglucemia aguda o la isquemia cerebral conduce a una lesión cerebral. Los sustratos alternativos a la glucosa, como los cuerpos cetónicos (KB), el acetoacetato (AcAc) y el β-hidroxibutirato (BHB), se pueden utilizar como combustibles energéticos en el cerebro durante la hipoglucemia y prevenir la muerte neuronal, pero los mecanismos involucrados aún no se conocen bien. Durante la privación de glucosa, las respuestas celulares adaptativas pueden activarse, como la autofagia, un proceso de degradación dependiente de lisosomas, para apoyar la supervivencia celular. Sin embargo, la autofagia alterada o excesiva puede conducir a una disfunción celular. Hemos demostrado previamente que la autofagia alterada contribuye a la muerte neuronal inducida por la privación de glucosa en las neuronas corticales y que el isómero D del BHB (D-BHB) restablece el flujo autofágico aumentando la viabilidad. Aquí, nuestro objetivo fue investigar la dinámica de la autofagia en el cerebro de ratas sometidas a hipoglucemia severa (SH) sin infusión de glucosa (GI), hipoglucemia severa seguida de GI (SH + GI) y un breve período de coma hipoglucémico seguido de GI (Coma). También se probó el efecto de la administración de D-BHB después del coma (Coma + BHB). La transformación de LC3-I a LC3-II y la abundancia de proteínas de autofagia, Beclin 1 (BECN1), ATG7 y conjugado ATG12-ATG5, se analizaron como un índice de formación de autofagosoma, y los niveles de secuestrosoma1/p62 (SQSTM1/p62) se determinaron como un sello distintivo de la degradación autofágica. Los datos sugieren que los autofagosomas se acumulan en la corteza y el hipocampo de las ratas después de la SH, probablemente debido a la degradación autofágica alterada. En la corteza, la acumulación de autofagosoma persistió a las 6 h después del GI en animales expuestos a SH, pero recuperó los niveles basales a las 24 h, mientras que en el hipocampo no se observó ningún efecto significativo. En animales sometidos a coma, se observó acumulación de autofagosoma a las 24 h después del GI en ambas regiones. El tratamiento con D-BHB redujo el contenido de LC3-II y SQSTM1/p62 y redujo la fosforilación de ULK1 por AMPK, lo que sugiere que estimula el flujo autofágico y disminuye la actividad de AMPK reduciendo el inicio de la autofagia. D-BHB también redujo el número de células en degeneración. En conjunto, los datos sugieren diferentes dinámicas de autofagia después de GI en ratas sometidas a SH o al coma hipoglucémico y respaldan que el tratamiento con D-BHB puede modular la dinámica de autofagia favoreciendo el flujo autofágico.

Files

pdf.pdf

Files (5.6 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:08bea612d43394a57b5a44cf545092a0
5.6 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تأثير β - Hydroxybutyrate على ديناميكيات البلعمة الذاتية أثناء نقص السكر في الدم الشديد وغيبوبة نقص السكر في الدم
Translated title (French)
Effet du β-hydroxybutyrate sur la dynamique de l'autophagie pendant l'hypoglycémie sévère et le coma hypoglycémique
Translated title (Spanish)
Efecto del β-hidroxibutirato en la dinámica de la autofagia durante la hipoglucemia grave y el coma hipoglucémico

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3088293268
DOI
10.3389/fncel.2020.547215

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Mexico

References

  • https://openalex.org/W1510199728
  • https://openalex.org/W1523367786
  • https://openalex.org/W1523693806
  • https://openalex.org/W1969275215
  • https://openalex.org/W1970637701
  • https://openalex.org/W1972542282
  • https://openalex.org/W1976066524
  • https://openalex.org/W1982862089
  • https://openalex.org/W1984557173
  • https://openalex.org/W1992659717
  • https://openalex.org/W1993028549
  • https://openalex.org/W1995363050
  • https://openalex.org/W2001038203
  • https://openalex.org/W2001637884
  • https://openalex.org/W2002433566
  • https://openalex.org/W2007132103
  • https://openalex.org/W2008004470
  • https://openalex.org/W2016471135
  • https://openalex.org/W2017341709
  • https://openalex.org/W2018444039
  • https://openalex.org/W2022812113
  • https://openalex.org/W2024268760
  • https://openalex.org/W2025665129
  • https://openalex.org/W2025684895
  • https://openalex.org/W2027079655
  • https://openalex.org/W2030944207
  • https://openalex.org/W2035449740
  • https://openalex.org/W2036551825
  • https://openalex.org/W2043694632
  • https://openalex.org/W2048763222
  • https://openalex.org/W2048893204
  • https://openalex.org/W2049255983
  • https://openalex.org/W2051028755
  • https://openalex.org/W2070871404
  • https://openalex.org/W2100322766
  • https://openalex.org/W2104382375
  • https://openalex.org/W2104558541
  • https://openalex.org/W2108086395
  • https://openalex.org/W2111553439
  • https://openalex.org/W2128501939
  • https://openalex.org/W2139753192
  • https://openalex.org/W2145594694
  • https://openalex.org/W2146887271
  • https://openalex.org/W2508783056
  • https://openalex.org/W2531271987
  • https://openalex.org/W2557057066
  • https://openalex.org/W2558713280
  • https://openalex.org/W2602035017
  • https://openalex.org/W2728346226
  • https://openalex.org/W2784879543
  • https://openalex.org/W2808836679
  • https://openalex.org/W2811062262
  • https://openalex.org/W2909938443
  • https://openalex.org/W2990074206
  • https://openalex.org/W2999814527
  • https://openalex.org/W3048763053