Pyruvate kinase (Pyk) is a rate-limiting enzyme that catalyzes the final metabolic reaction in glycolysis. The importance of this enzyme, however, extends far beyond ATP production, as Pyk is also known to regulate tissue growth, cell proliferation, and development. Studies of this enzyme in Drosophila melanogaster , however, are complicated by the fact that the fly genome encodes six Pyk paralogs whose functions remain poorly defined. To address this issue, we used sequence distance and phylogenetic approaches to demonstrate that the gene Pyk encodes the enzyme most similar to the mammalian Pyk orthologs, while the other five Drosophila Pyk paralogs have significantly diverged from the canonical enzyme. Consistent with this observation, metabolomic studies of two different Pyk mutant backgrounds revealed that larvae lacking Pyk exhibit a severe block in glycolysis, with a buildup of glycolytic intermediates upstream of pyruvate. However, our analysis also unexpectedly reveals that steady state pyruvate levels are unchanged in Pyk mutants, indicating that larval metabolism maintains pyruvate pool size despite severe metabolic limitations. Consistent with our metabolomic findings, a complementary RNA-seq analysis revealed that genes involved in lipid metabolism and peptidase activity are elevated in Pyk mutants, again indicating that loss of this glycolytic enzyme induces compensatory changes in other aspects of metabolism. Overall, our study provides both insight into how Drosophila larval metabolism adapts to disruption of glycolytic metabolism as well as immediate clinical relevance, considering that Pyk deficiency is the most common congenital enzymatic defect in humans.

The mitochondrial enzyme L-2-hydroxyglutarate dehydrogenase (L2HGDH) regulates the abundance of L-2-hydroxyglutarate (L-2HG), a potent signaling metabolite capable of influencing chromatin architecture, mitochondrial metabolism, and cell fate decisions. Loss of L2hgdh activity in humans induces ectopic L-2HG accumulation, resulting in neurodevelopmental defects, altered immune cell function, and enhanced growth of clear cell renal cell carcinomas. To better understand the molecular mechanisms that underlie these disease pathologies, we used the fruit fly Drosophila melanogaster to investigate the endogenous functions of L2hgdh. Our studies revealed that while L2hgdh is not essential for growth or viability under standard culture conditions, L2hgdh mutants are hypersensitive to hypoxia and expire during the reoxygenation phase with severe disruptions of mitochondrial metabolism. Moreover, we find that the fly renal system (Malpighian tubules; MTs) is a key site of L2hgdh activity, as L2hgdh mutants that express a rescuing transgene within the MTs survive hypoxia treatment and exhibit normal levels of mitochondrial metabolites. We also demonstrate that even under normoxic conditions, L2hgdh mutant MTs experience significant metabolic stress and are sensitized to aberrant growth upon Egfr activation. Overall, our findings present a model in which renal L2hgdh activity limits systemic L-2HG accumulation, thus indirectly regulating the balance between glycolytic and mitochondrial metabolism, enabling successful recovery from hypoxia exposure, and ensuring renal tissue integrity.

ABSTRACT The mitochondrial enzyme L-2-hydroxyglutarate dehydrogenase (L2HGDH) regulates the abundance of L-2-hydroxyglutarate (L-2HG), a potent signaling metabolite capable of influencing chromatin architecture, mitochondrial metabolism, and cell fate decisions. Loss of L2hgdh activity in humans induces ectopic L-2HG accumulation, resulting in neurodevelopmental defects, altered immune cell function, and enhanced growth of clear cell renal cell carcinomas. To better understand the molecular mechanisms that underlie these disease pathologies, we used the fruit fly Drosophila melanogaster to investigate the endogenous functions of L2hgdh. Our studies revealed that while L2hgdh is not essential for growth or viability under standard culture conditions, L2hgdh mutants are hypersensitive to hypoxia and expire during the reoxygenation phase with severe disruptions of mitochondrial metabolism. Moreover, we find that the fly renal system (Malpighian tubules; MTs) is a key site of L2hgdh activity, as L2hgdh mutants that express a rescuing transgene within the MTs survive hypoxia treatment and exhibit normal levels of mitochondrial metabolites. We also demonstrate that even under normoxic conditions, L2hgdh mutant MTs experience significant metabolic stress and are sensitized to aberrant growth upon Egfr activation. Overall, our findings present a model in which renal L2hgdh activity limits systemic L-2HG accumulation, thus indirectly regulating the balance between glycolytic and mitochondrial metabolism, enabling successful recovery from hypoxia exposure, and ensuring renal tissue integrity.