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.

ABSTRACT Plate-based quantitative metabolic flux analysis has emerged as the central technology to examine cellular metabolism and mitochondrial bioenergetics. However, accurate interpretation of metabolic activity between different experimental conditions in multi-well microplates requires data normalization based on in situ cell counts. Here, we describe FluxNorm, a platform-independent semi-automated computational workflow, validated for three different cell types, to normalize cell density for accurate assessment of cellular bioenergetics.