Abstract AMP-activated protein kinase (AMPK) is a central cellular energy sensor that regulates metabolic activity. We hypothesised that in glioblastoma (GB), AMPK plays a pivotal role in balancing metabolism under conditions of the tumour microenvironment, which is characterised by fluctuating and often low nutrient and oxygen availability. Impairment of this network could thus interfere with tumour progression. AMPK activity was modulated genetically by CRISPR/Cas9-based double knockout (DKO) of the catalytic α1 and α2 subunits in human GB cells and effects were confirmed by pharmacological AMPK inhibition using BAY3827 and an inactive control compound in primary GB cell lines. We found that metabolic adaptation of GB cells under energy stress conditions (hypoxia, glucose deprivation) was dependent on AMPK and accordingly that, AMPK DKO cells were more vulnerable to glucose-deprivation or inhibition of glycolysis and sensitised to hypoxia-induced cell death. This effect was rescued by reexpression of the AMPK α2 subunit. Similar results were observed using the selective pharmacological AMPK inhibitor BAY3827. Mitochondrial biogenesis was regulated AMPK-dependently with a reduced mitochondrial mass and mitochondrial membrane potential in AMPK DKO GB cells. In vivo , AMPK DKO GB cells showed impaired tumour growth and tumour formation in CAM assays as well as in an orthotopic glioma mouse model. Our study highlights the importance of AMPK for GB cell adaptation towards energy depletion and emphasises the role of AMPK for tumour formation in vivo . Moreover, we identified mitochondria as central downstream effectors of AMPK signalling. The development of AMPK inhibitors could open opportunities for the treatment of hypoxic tumours.

Abstract Midbrain dopamine neurons are essential for flexible control of adaptive behaviors. DA neurons that project to different target regions have unique biophysical properties, and it is thought that this diversity reflects functional specialization. This assumption implies the presence of specific genetic determinants with precise impacts on behavior. We tested this general hypothesis by homing in on one particular biophysical mechanism, Kv4 channel inactivation, using a combination of molecular, proteomic, electrophysiological, computational, and behavioral approaches. We demonstrate that KChIP4a, a singular Kv4 β-subunit splice variant, prolongs hyperpolarization-rebound delays selectively in dopamine neurons projecting to the nucleus accumbens core, shifts the integration of inhibitory inputs and, in turn, selectively regulates learning from negative prediction-errors. Our results reveal a highly specialized, gene-to-behavior mechanistic chain that is only operative in a particular dopaminergic subsystem, illuminating how molecularly defined biophysical switches are employed for neuron subtype-specific information processing in the brain. Graphical abstract

Control of gene expression is commonly mediated by distinct combinations of transcription factors (TFs). This cooperative action allows multiple biological signals to be integrated at specific regulatory elements, resulting in highly specific gene expression patterns in space and time. It is unclear whether combinatorial binding is also necessary to bring together TFs with distinct biochemical functions, which collaborate to effectively recruit and activate RNA polymerase II. Using a cardiac differentiation model, we find that the largely ubiquitous, evolutionary ancient homeodomain proteins MEIS are essential for activating a cardiac-specific gene expression program. MEIS TFs act as actuators, fully activating transcriptional programs selected by lineage-restricted TFs to drive the dynamic progression of cardiac differentiation. Combinatorial binding of MEIS with lineage-enriched TFs, GATA and HOX, provides selectivity, guiding MEIS to function at cardiac-specific enhancers. In turn, MEIS TFs promote accumulation of the methyltransferase KMT2D to initiate lineage-specific enhancer commissioning. MEIS combinatorial binding dynamics, dictated by the changing dosage of its partners, drive cells into progressive stages of cardiac differentiation. Our results uncover tissue-specific transcriptional activation as the result of ubiquitous actuator TFs harnessing general transcriptional coactivators at tissue-specific enhancers, to which they are directed by binding with lineage- and domain-specific TFs.