SUMMARY Neuronal activity is an energy-intensive process that is largely sustained by instantaneous fuel utilization and ATP synthesis. However, how neurons couple ATP synthesis rate to fuel availability is largely unknown. Here, we demonstrate that the metabolic sensor enzyme O-GlcNAc transferase regulates neuronal activity-driven mitochondrial bioenergetics. We show that neuronal activity upregulates O-GlcNAcylation mainly in mitochondria. Mitochondrial O-GlcNAcylation is promoted by activity-driven fuel consumption, which allows neurons to compensate for high energy expenditure based on fuel availability. To determine the proteins that are responsible for these adjustments, we mapped the mitochondrial O-GlcNAcome of neurons. Finally, we determine that neurons fail to meet activity-driven metabolic demand when O-GlcNAcylation dynamics are prevented. Our findings suggest that O-GlcNAcylation provides a fuel-dependent feedforward control mechanism in neurons to optimize mitochondrial performance based on neuronal activity. This mechanism thereby couples neuronal metabolism to mitochondrial bioenergetics and plays a key role in sustaining energy homeostasis.

Neuronal activity is an energy-intensive process that is largely sustained by instantaneous fuel utilization and ATP synthesis. However, how neurons couple ATP synthesis rate to fuel availability is largely unknown. Here, we demonstrate that the metabolic sensor enzyme O-linked N-acetyl glucosamine (O-GlcNAc) transferase regulates neuronal activity-driven mitochondrial bioenergetics in hippocampal and cortical neurons. We show that neuronal activity upregulates O-GlcNAcylation in mitochondria. Mitochondrial O-GlcNAcylation is promoted by activity-driven glucose consumption, which allows neurons to compensate for high energy expenditure based on fuel availability. To determine the proteins that are responsible for these adjustments, we mapped the mitochondrial O-GlcNAcome of neurons. Finally, we determine that neurons fail to meet activity-driven metabolic demand when O-GlcNAcylation dynamics are prevented. Our findings suggest that O-GlcNAcylation provides a fuel-dependent feedforward control mechanism in neurons to optimize mitochondrial performance based on neuronal activity. This mechanism thereby couples neuronal metabolism to mitochondrial bioenergetics and plays a key role in sustaining energy homeostasis.

Stem cell aging is accelerated by macroenvironmental and microenvironmental stressors, including inflammation. Previously, the NASA Twins study revealed inflammatory cytokine upregulation, chromosomal alterations, and telomere changes suggestive of accelerated aging in low-Earth orbit (LEO). To investigate the effects of spaceflight on human hematopoietic stem and progenitor cell (HSPC) aging, the NASA-supported Integrated Space Stem Cell Orbital Research team performed four independent 30- to 45-day NASA missions with matched flight and ground HSPC nanobioreactors in automated CubeLabs. These experiments revealed loss of HSPC dormancy, reduced self-renewal capacity, mitochondrial DNA amplification, APOBEC3-induced C-to-T mutagenesis, reduced ADAR1p150 expression, and alterations in the expression of repetitive elements. These molecular changes are indicative of accelerated HSPC aging and pre-leukemia stem cell generation in space and may be predictable and preventable.