background image

 

Research Articles | Neurobiology of Disease 

 

 
Imbalance in glucose metabolism regulates the
transition of microglia from homeostasis to Disease
Associated Microglia stage 1

 

 

https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.1563-23.2024

 
Received: 16 August 2023
Revised: 21 March 2024
Accepted: 23 March 2024
 

Copyright © 2024 the authors

This Early Release article has been peer reviewed and accepted, but has not been through
the composition and copyediting processes.The final version may differ slightly in style or
formatting and will contain links to any extended data.

Alerts: Sign up at 

www.jneurosci.org/alerts

 to receive customized email alerts when the fully

             formatted version of this article is published.

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

Imbalance in glucose metabolism regulates the transition of microglia  from  homeostasis to 

Disease Associated Microglia stage 1 

  

Yuxi  Liu

1

, Witty  Kwok

1

, Hyojung  Yoon

3

, Jae  Cheon  Ryu

1

,  Patrick  Stevens

5

,  Tara  R.  Hawkinson

6, 7

Cameron J. Shedlock

6, 7

, Roberto A. Ribas

6, 7

, Terrymar Medina

6, 7

, Shannon B. Keohane

6, 7

, Douglas 

Scharre

4

, Lei Bruschweiler-Li

2

, Rafael Bruschweiler

2

, Alban Gaultier

8

, Karl Obrietan

3

, Ramon C. Sun

6, 

7

, and Sung Ok Yoon

1*

.  

 

1

Department of Biological Chemistry and Pharmacology, The Ohio State University, Columbus, OH, 

USA.  

10 

2

Department of Chemistry and Biochemistry

The Ohio State University, Columbus, OH, USA.  

11 

3

Department of Neuroscience, The Ohio State University, Columbus, OH, USA.  

12 

4

Department of Neurology, The Ohio State University, Columbus, OH, USA.  

13 

5

Department of Biomedical Informatics, The Ohio State University, Columbus, OH, USA.  

14 

6

Department  of  Biochemistry  and  Molecular  Biology,  College  of  Medicine,  University  of  Florida, 

15 

Gainesville, FL, USA.  

16 

7

Center for Advanced Spatial Biomolecule Research, University of Florida, Gainesville, FL, 32610, 

17 

USA 

18 

8

Center for Brain Immunology and Glia, University of Virginia, Charlottesville, VA, 22908, USA 

19 

 

20 

 

21 

*Corresponding author,   Sung Ok Yoon, PhD 

22 

184 Rightmire Hall 

23 

Department of Biological Chemistry and Pharmacology 

24 

1060 Carmack Rd. 

25 

Ohio State University 

26 

Columbus, OH 43210 

27 

Email: 

Sung.yoon@osumc.edu 

28 

 

29 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

2

 

 

30 

Number of pages, 57 

31 

Number of figures, 12 

32 

Number of words for abstract, 188 

33 

Number of words for introduction, 1,091 

34 

Number of words for discussion, 1,532 

35 

 

36 

Conflict of interest, The authors declare no competing financial interests.

 

37 

 

38 

Acknowledgments,  The  current  study  was  supported  by  grants  to  SOY  from  NIH  (R01AG055059, 

39 

R01NS107456,  R01DK120108),  and  grants  from  NIH  to  RCS  (5  R01AG066653,  and  5  R01 

40 

AG078702).    In  addition,  S10  OD026842  instrument  grant  and  Genomics  Shared  Resource  grant 

41 

(NCI CCSG grant, P30CA016058) to Ohio State University.  

 

42 

ABSTRACT 

43 

Microglia undergo two-stage activation in neurodegenerative diseases, known as disease-associated 

44 

microglia  (DAM).   TREM2  mediates the  DAM2  stage  transition,  but  what regulates  the first  DAM1 

45 

stage transition is unknown.  We report that glucose dyshomeostasis inhibits DAM1 activation, and 

46 

PKM2 plays a role.  As in tumors, PKM2 was aberrantly elevated in both male and female human AD 

47 

brains, but unlike in tumors, it is expressed as active tetramers, as well as among TREM2

+

 microglia 

48 

surrounding plaques in 5XFAD male and female mice.  snRNAseq analyses of microglia without 

Pkm2

 

49 

in 5XFAD mice revealed significant increases in DAM1 markers in a 

distinct ‘metabolic’ cluster, which 

50 

is enriched in genes for glucose metabolism, DAM1, and AD risk.  5XFAD mice incidentally exhibited 

51 

a significant reduction in amyloid pathology without microglial 

Pkm2

.  Surprisingly, microglia in 5XFAD 

52 

without 

Pkm2

 exhibited increases in glycolysis and spare respiratory capacity, which correlated with 

53 

restoration of mitochondrial cristae alterations.  In addition, in situ  spatial metabolomics  of plaque-

54 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

3

 

bearing microglia revealed an increase in respiratory activity.  These results together suggest that it 

55 

is not only glycolytic but also respiratory inputs that are critical to the development of DAM signatures 

56 

in 5XFAD mice.   

57 

 

58 

 

 

59 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

4

 

SIGNIFICANCE STATEMENT 

60 

Although reduced glucose uptake in the brain has been recognized as one of the earliest pathological 

61 

events that accompany 

Alzheimer’s disease (AD), it has not been clear whether this was due to a 

62 

brain-wide defect in glucose metabolism or a dysfunction in a particular cell type. Our data suggest 

63 

that dysregulation of metabolic homeostasis in microglia is critical for global AD pathology in a mouse 

64 

model.  Upon restoring glucose metabolism in microglia genetically, AD pathology is attenuated with 

65 

a  concomitant  increase  in  DAM  genes,  especially  DAM1  genes.    These  results  suggest  that  this 

66 

increase in DAM gene expression is protective against AD pathology, and glucose dyshomeostasis 

67 

is a trigger to inhibit expression of protective DAM genes in AD.  

 

68 

 

69 

 

70 

 

71 

 

 

72 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

5

 

INTRODUCTION 

73 

Brain hypometabolism  is one of the pathological events that accompany 

Alzheimer’s disease (AD) 

74 

(Stanley et al., 2016).  In particular, selective reduction in 

18

F-fluorodeoxyglucose (FDG) uptake in 

75 

vulnerable areas of the brain in presymptomatic 

ApoE4

 homozygous AD patients has been reported 

76 

(Kennedy et al., 1995; Reiman et al., 1996), indicating brain hypometabolism is one of the earliest 

77 

dysfunctions in AD.  More recently, large-scale proteomic analyses of >2,000 human AD brains and 

78 

~400  cerebrospinal  fluid  (CSF)  samples  ide

ntified  the  ‘sugar  metabolism’  module  as  the  most 

79 

significant module to be associated with AD pathology and cognitive decline out of 13 distinct modules 

80 

that included the synapse/neuron module (Johnson et al., 2020)

.  In this ‘sugar metabolism’ module, 

81 

several glycolytic gene products were included, such as glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase 

82 

(GAPDH), 

-enolase (ENO1), pyruvate kinase muscle isoform (PKM), and lactate dehydrogenase b 

83 

(LDHb), and of those, PKM and LDHb proteins were also detected in CSF samples.  PKM and LDHb 

84 

protein levels positively correlated with AD progression, highlighting the role of glucose metabolism 

85 

in AD pathology.  The major cell types represented in the 

‘sugar metabolism’ module are microglia 

86 

and astrocytes, suggesting that loss of control of glucose and carbohydrate metabolism in microglia 

87 

and astrocytes plays a critical role in AD pathology.   

88 

 

89 

Once taken up, glucose is metabolized through glycolysis and then oxidative phosphorylation via the 

90 

TCA  cycle  to  generate  ATP.    In  metabolically  active  differentiated  cells,  oxidative  phosphorylation 

91 

dominates  by  virtue  of  generating  higher  levels  of  ATP  than  glycolysis  per  glucose  unit  (Vander 

92 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

6

 

Heiden et al., 2009; Van den Bossche et al., 2017).  Actively proliferating cancer cells and immune 

93 

cells on the other hand are known to undertake metabolic reprogramming in response to changes in 

94 

metabolic demand or energy availability.  A key molecule in this metabolic process is PKM2.  PKM2 

95 

is  the  alternatively  spliced  isoform  of  PKM  pre-mRNA,  where  PKM1  includes  exon  9,  while  PKM2 

96 

includes exon 10 in a mutually exclusive manner (David et al., 2010; Chen et al., 2012).  PKM2 is 

97 

mainly expressed among proliferating cells in embryonic tissues, but its expression is often induced 

98 

when cells resume proliferation during regeneration or tumor formation in the adult (Mazurek, 2011; 

99 

Lunt et al., 2015).  PKM2 is allosterically regulated by fructose-1,6-bisphosphate binding, switching 

100 

between its inactive monomeric/dimeric form and its active tetrameric form, unlike PKM1 that exists 

101 

as  stable  tetramers  with  high  pyruvate  kinase  activity  (Dayton  et  al.,  2016).    When  induced  in 

102 

proliferating  tumors,  PKM2  is  often  tyrosine  phosphorylated  at  Y105  in  response  to  growth  factor 

103 

signaling (Hitosugi et al., 2009), resulting in inhibition of metabolically active tetramer formation.  Such 

104 

aberrant  induction  of  enzymatically  inactive  PKM2  monomers/dimers  in  tumors  leads  to  aerobic 

105 

glycolysis with increased lactate production, termed the Warburg effect, where glycolytic metabolites 

106 

are  diverted  from  the  TCA  cycle  to  produce  nucleotides,  proteins,  and  lipids  that  are  needed  for 

107 

generating daughter cells via proliferation at the expense of ATP production (Vander Heiden et al., 

108 

2009;  Vander  Heiden  et  al.,  2011).   In  addition,  PKM2  dimers  can  be translocated  to the  nucleus, 

109 

activating transcription of glycolytic genes thereby regulating aerobic glycolysis  (Yang et al., 2011; 

110 

Gao et al., 2012).  

111 

 

112 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

7

 

Besides in tumors, PKM2 was shown to be induced in immune cells,  such as macrophages and T 

113 

cells, wherein metabolic pathways are known to regulate their phenotype and function in addition to 

114 

providing energy (Van den Bossche et al., 2017; Geltink et al., 2018).  For instance, as a dimeric form, 

115 

nuclear PKM2 was shown to activate  signal transducer and activator of transcription 3 (STAT3) to 

116 

induce  pro-inflammatory  cytokines,  such  as  IL-6,  IL-1

,  and  IL-17  in  T  cells,  in  part  by  increased 

117 

lactate production (Pucino et al., 2019; Angiari et al., 2020).  In contrast, when PKM2 is stabilized as 

118 

a tetrameric form pharmacologically with DASA-58 or TEPP-46, IL-17 production is reduced in T cells 

119 

under inflammatory conditions (Angiari et  al., 2020; Seki et  al., 2020).  These results suggest that 

120 

activation  of  the  glycolytic  pathway  is  critical  for maintaining  pro-inflammatory macrophages,  while 

121 

anti-inflammatory macrophages employ oxidative phosphorylation instead.  

122 

 

123 

Microglia  belong  to  a  myeloid  lineage  and  are  known  to  undergo  metabolic  changes  in 

124 

neurodegenerative  diseases,  for  instance,  via  triggering  receptor  expressed  on  myeloid  cells  2 

125 

(TREM2)

 

(Kleinberger et al., 2017; Ulland et al., 2017; Parhizkar et al., 2023).  PKM2 expression in 

126 

microglia in vivo has been reported under neuropathological conditions (Romero-Ramirez et al., 2022; 

127 

Li et al., 2023), including human AD cases and in 5XFAD mice (Pan et al., 2022).  In particular, Pan 

128 

et  al.  reported  that  PKM2  in  microglia  of  5XFAD  mice  promotes  aerobic  glycolysis  by  increasing 

129 

lactate production, thereby modifying lactylation of histones, which in turn activates glycolytic genes 

130 

(Pan et al., 2022).  These actions presumably rely on monomeric/dimeric forms of PKM2 that favor 

131 

aerobic glycolysis over oxidative phosphorylation producing lactate as in tumors.  Here, we report that 

132 

in addition to promoting aerobic glycolysis most likely as dimers as Pan et al. described (Pan et al., 

133 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

8

 

2022), PKM2 also influences the respiratory capacity  of microglia in 5XFAD mice  as tetramers.  A 

134 

tetrameric form of PKM2 is highly expressed in brain tissues from human AD patients and 5XFAD 

135 

mice.    When  PKM2  was  activated  with  TEPP-46  to  form  tetramers  in  primary  microglia,  microglia 

136 

responded  by  decreasing  glycolysis  and  oxidative  phosphorylation.    Deleting 

Pkm2

 from microglia 

137 

using the same Cx3cr1-CreERT2 line as Pan et al. in contrast increased both glycolytic capacity and 

138 

maximal  respiration.    These  results  suggest  that  the  metabolic  effects  of 

Pkm2

  deletion  are  not 

139 

homogeneous  in  one  pathway,  but  includes  multiple  distinct  pathways,  such  as  alteration  in 

140 

respiratory  responses  and  glycolytic  output,  which  together  coordinate  to  control  overall  metabolic 

141 

needs in microglia.  In line with this notion, mitochondrial cristae in microglia in 5XFAD mice exhibit 

142 

defects, which become restored with microglial

 

deletion of 

Pkm2

.  In addition, metabolomics data from 

143 

our in situ spatial metabolomics study illustrated that 

Pkm2

 deletion in microglia of 5XFAD mice led 

144 

to increased mitochondrial respiratory activity with minor changes in glycolytic metabolites.  In parallel 

145 

with both glycolytic and respiratory metabolic changes induced by 

Pkm2 

deletion, expression of many 

146 

DAM1  stage  genes  was  increased  in  select  metabolic  cluster(s)  of  microglia  upon 

Pkm2 

deletion.   

147 

These data together suggest that the imbalance in glucose metabolism initiated by aberrant PKM2 

148 

activation  as  tetramers  in  microglia  is  a  critical  factor  in  regulating  transition  from  homeostasis  to 

149 

DAM1 stage.   Along with a recent report, in which deleting hexokinase 2 (HK2), the first enzyme in 

150 

the  glycolytic  pathway  from  microglia,  also  caused  a  reduction  in  both  glycolytic  and  respiratory 

151 

capacity (Hu et al., 2022), our results suggest that perturbations in the glycolytic pathway will have an 

152 

impact not only on glycolysis but also oxidative phosphorylation under neuropathological conditions. 

153 

 

154 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

9

 

 

155 

MATERIALS AND METHODS 

156 

Antibodies. 

Antibodies  used  for  the  study  include;  PKM1  (Cat#7067,  RRID:AB_2715534),  PKM2 

157 

(Cat#4053, 

RRID:AB_1904096), 

HK1 

(Cat#2024, 

RRID:AB_2116996), 

HK2 

(Cat#2867, 

158 

RRID:AB_2232946), 

GAPDH 

(Cat#5174, 

RRID:AB_10622025), 

LDHA 

(Cat#2012, 

159 

RRID:AB_2137173), PDH (Cat#3205, RRID:AB_2162926), PDHK1 (Cat#3820, RRID:AB_1904078), 

160 

PFKFB3  (Cat#13123,  RRID:AB_2617178),  PSD95  (Cat#3450,  RRID:AB_2292883),  A

  (NAB228, 

161 

Cat#2450,  RRID:AB_490857),  p-AMPK

  (Cat#2535,  RRID:AB_331250),  AMPK

  (Cat#5831, 

162 

RRID:AB_10622186), 

TREM2 

(Cat#76765, 

RRID:AB_2799888), 

-actin 

(Cat#3700, 

163 

RRID:AB_2242334), and APOE (Cat#49285 and Cat#68587) were from Cellsignaling Technology.  

164 

PFKP  (Cat#13389-1-AP,  RRID:AB_2252278)  and  A

  (6E10,  SIG-39320-1000,  RRID:AB_662798) 

165 

were from Proteintech and Covance, respectively. Iba1 (Cat# ab5076-100, RRID:AB_2224402) from 

166 

Abcam, GFAP (Cat#MAB360, RRID:AB_11212597) from Millipore, AmyloGlo (Cat#TR-300-AG) from 

167 

Biosensis, vGlut1 and TREM2 for IHC from Drs Julia Kaltschmidt and Christian Haass, respectively.  

168 

Secondary  antibodies  were  from  ThermoFisher  (Cat#A31572,  RRID:AB_162543;  S21381, 

169 

RRID:AB_2307336;  A11055,  RRID:AB_2534102;  SA1011;  A11029,  RRID:AB_2534088;  A10525, 

170 

RRID:AB_2534034) or from Jackson ImmunoResearch Labs (Cat#305-035-045, RRID:AB_2339403; 

171 

711-035-152, 

RRID:AB_10015282; 

705-065-147, 

RRID:AB_2340397; 

712-165-150, 

172 

RRID:AB_2340666).  Topro-3 was from Thermofisher (Cat#T3605). 

173 

 

174 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

10

 

Other  reagents.

    Quantikine  ELISA  human  amyloid 

β  (aa  1-42)  immunoassay  kit  (R&D  systems, 

175 

Cat#DAB142),  Lactate-Glo  Assay  kit  (Promega,  Cat#J5021),  Adult  brain  dissociation  kit  (Miltenyi, 

176 

Cat#130-107-677), Cd11b/c conjugated beads for rat (Miltenyi, Cat#130-105-634), Cd11b conjugated 

177 

beads for mouse (Miltenyi, Cat#130-093-634), DSS (Thermo Fisher, Cat#A39267), TRIzol Reagent 

178 

(Invitrogen, Cat#15596-018), PowerUp SYBR Green Master Mix (Applied Biosystems, Cat#A25778), 

179 

Protector RNase inhibitor (Roche, Cat#03335399001), OneTaq RT-PCR kit (New England Biolabs, 

180 

Cat#E5310S),  Slowfade  Diamond  Antifade  Mountant  (Thermo  Fisher,  Cat#S36972),  TEPP-46 

181 

(MedChemExpress, Cat#HY-18657), XF24 cell culture microplate (Agilent, Cat#100777-004), XFe24 

182 

FluxPak  (Agilent,  Cat#102340-100),  XF  Calibrant  (Agilent,  Cat#100840-000),  XF  basal  media 

183 

(Agilent,  Cat#102353-100),  1M  Glucose  solution  (Agilent,  Cat#103577-100),  100  mM  Pyruvate 

184 

solution  (Agilent,  Cat#103578-100),  200  mM  Glutamine  solution  (Agilent,  Cat#103579-100),  2-

185 

deoxyglucose  (Cayman,  Cat#14325),  Glucose  (Sigma,  Cat#G7528),  Oligomycin  (Millipore, 

186 

Cat#495455),  FCCP  (Cayman,  Cat#15218),  Rotenone  (Cayman,  Cat#13995),  MEM  (Gibco, 

187 

Cat#61100-061),  DMEM  (Gibco,  Cat#12800-017),  Fetal  bovine  serum  (Gibco,  Cat#10437-028), 

188 

Penicillin  and  streptomycin  (Gibco,  Cat#15140-122),  Trypsin  (Gibco,  Cat#15090-046),  DNase  I 

189 

(Worthington,  Cat#LS002147), 

40  μm  Flowmi  Tip  Strainer  (Bel-Art,  Cat#H13680-0040),  all  other 

190 

chemicals were from Sigma.

 

191 

 

192 

 

193 

Table 1; Primers 

194 

Name 

Forward primers  

Reverse primers 

Mouse Gapdh 

AGCTTGTCATCAACGGGAAG 

TTTGATGTTAGTGGGGTCTCG 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

11

 

Mouse Actb 

GGCTGTATTCCCCTCCATCG 

CCAGTTGGTAACAATGCCATGT 

Mouse P2ry12 

ATGGATATGCCTGGTGTCAACA 

AGCAATGGGAAGAGAACCTGG 

Mouse Cx3cr1 

GAGTATGACGATTCTGCTGAGG 

CAGACCGAACGTGAAGACGAG 

Mouse Apoe 

TGTTTCGGAAGGAGCTGACT 

TGTGTGACTTGGGAGCTCTG 

Mouse Trem2 

AGGGCCCATGCCAGCGTGTGGT 

CCAGAGATCTCCAGCATC 

Mouse Tyrobp 

GAGTGACACTTTCCCAAGATGC 

CCTTGACCTCGGGAGACCA 

Mouse Cstb 

AGGTGAAGTCCCAGCTTGAAT 

GTCTGATAGGAAGACAGGGTCA 

Mouse Timp2 

TCAGAGCCAAAGCAGTGAGC 

GCCGTGTAGATAAACTCGATGTC 

Mouse Cd33 

CCGCTGTTCTTGCTGTGTG 

AAGTGAGCTTAATGGAGGGGTA 

Mouse Clu 

CGAAGATGCTCAACACCTCA 

TGTGATGGGGTCAGAGTCAA 

Mouse Adam10 

AGCAACATCTGGGGACAAAC 

TTGCACTGGTCACTGTAGCC 

Mouse Mef2c 

CGGTGTCGTCAGTTGTATGG 

TGCAGTAGATATGCGGCTTG 

Mouse Sorl1 

CCTGTCGCGTTTTTCTTAGC 

TTCTGGCAATGCACTTCTTG 

Rat Gapdh 

GTATTGGGCGCCTGGTCACC 

CGCTCCTGGAAGATGGTGATGG 

Rat Trem2 

AAGATGCTGGAGACCTCTGG 

GGATGCTGGCTGTAAGAAGC 

Rat Apoe 

CTGGTTCGAGCCGCTAGTG 

CCTGTATCTTCTCCATTAGGTTTGC 

Human  tissue  samples. 

Tissues  from  the  frontal  cortex  were  obtained  through  the  UCSD 

195 

Experimental Neuropath Laboratory (RRID:SCR_114906).  The ages of AD and control cases ranged 

196 

from 71 to 91 and 69 to 97 years, respectively.  The Braak scores for AD cases were 6.2 to 6.3 and 

197 

for control cases were 0.0 to 3.0.   

198 

 

199 

Transgenic 

mice. 

All 

mice 

were 

obtained 

from 

Jackson 

Lab: 

5XFAD 

(#34840, 

200 

RRID:MMRRC_034840-JAX) 

(Oakley 

et 

al., 

2006), 

 

Cx3cr1-CreERT2 

(#021160, 

201 

RRID:IMSR_JAX:021160)  (Parkhurst  et  al.,  2013),  PKM2fl/fl  (Israelsen  et  al.,  2013)  (#024048, 

202 

RRID:IMSR_JAX:024048), and Cx3cr1-GFP (#005582, RRID:IMSR_JAX:005582) (Jung et al., 2000). 

203 

5XFAD from Jackson Lab in B6/SJL F1 hybrid background was made congenic by backcrossing 10 

204 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

12

 

generations with C57/BL6. To generate microglial deletion of PKM2 in 5XFAD background, 5XFAD

+/-

205 

:Cx3cr1-CreERT2

+/-

:PKM2

fl/+

 mice were bred with C57/BL6:Cx3cr1-CreERT2

-/-

:PKM2

fl/+

 mice to obtain 

206 

the experimental 5XFAD

+/-

:Cx3cr1-CreERT2

+/-

:PKM2

fl/fl

 and the control  5XFAD

+/-

:Cx3cr1-CreERT2

+/-

207 

:PKM2

+/+

 mice.  For brevity, the experimental mice are designated as FAD:i-PKM2

M∆

 and the control 

208 

as FAD: i-PKM2

MC

. PKM2 was deleted from microglia at 2-months via daily oral gavage for 5 days 

209 

with 75 mg/kg of tamoxifen dissolved in 10% ethanol and 90% oil. All experimental mice were housed 

210 

in an animal facility with ad libitum access to food and water on a 12/12 hr light/dark cycle. All animal 

211 

protocols were approved by the Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) at the Ohio 

212 

State University.  Both males and females were used at the same time throughout the project. 

213 

 

214 

ELISA. 

Mice were transcardially perfused with ice-cold saline. The isolated brain hemispheres were 

215 

homogenized with a Dounce homogenizer in 1 ml per 0.1 g tissue of Solution A containing 0.32 M 

216 

sucrose, 10 mM HEPES (pH 7.4), 2 mM EDTA, supplemented with 1 mM sodium orthovanadate, 10 

217 

mM 

β-glycerophosphate, 10 μg/ml leupeptin, 1 μg/ml aprotinin, and 1 mM PMSF. Homogenates were 

218 

supplemented with 1 ml per 0.1 g tissue of 0.2% diethylamine (DEA) in 50 mM NaCl and centrifuged 

219 

at 100,000 G, 4

o

C for 1 hour. The supernatant was neutralized with 1/10 volumes of 0.5 M Tris (pH 

220 

6.8)  to  obtain  the 

soluble fraction.  The pellet  was resuspended  in 100  μL of  70% formic  acid and 

221 

sonicated 3 times for 30s. Then the mixture was neutralized with 15 volumes of 1.5 M Tris (pH 8.8) 

222 

to  obtain  the  insoluble  fracti

on.  Aβ42  levels  in  the  soluble  and  insoluble  fractions  were  measured 

223 

using  the  Quantikine  ELISA  Human  Amyloid  β  (aa1-42)  Immunoassay  kit  (R&D  Systems,  Cat# 

224 

DAB142) 

according to the manufacturer’s instructions. 

225 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

13

 

 

226 

Amylo-Glo staining. 

To detect Aβ plaques in the mouse brains, Amylo-Glo staining was done 

227 

according to the manufacturer’s instructions (Biosensis Cat#TR-300-AG).  Briefly, mouse brain 

228 

sections were treated with 70% ethanol for 5 min, followed by water for 2 min. Then sections were 

229 

incubated with 1X Amylo-Glo for 10 min and rinsed with saline for 5 min followed by water for 15 

230 

sec. After that, sections were subjected to immunohistochemical analysis. 

231 

 

232 

Lactate measurement 

233 

Rat primary microglia were treated with TEPP-

46 (75 μM) for 1 hour. Then the culture media were 

234 

collected.  Lactate  levels  were  measured  using  the  Lactate-Glo  Assay  kit  (Promega,  #J5021) 

235 

according to the manufacturer’s instructions. 

236 

 

237 

Immunohistochemistry  of  mouse  brain  tissues. 

Mice  were  transcardially  perfused  with  3% 

238 

paraformaldehyde in 0.1 M phosphate buffer (pH 7.2). The isolated brains were post-fixed in the same 

239 

buffer for 2 hrs at room temperature prior to cyroprotection in 20% sucrose in 0.1 M phosphate buffer 

240 

at 4

o

C for 24h. The brains were then sectione

d at 30 μm on the coronal plane and collected as floating 

241 

sections. For immunohistochemistry, sections containing the hippocampus and cortex (Bregma -1.94 

242 

mm) were first blocked for 2h at room temperature with 10% horse serum, 1% bovine serum albumin 

243 

(BSA), and 0.3% Triton X-100 in 1X Tris-buffered saline (TBS), and incubated with primary antibodies 

244 

in the incubation buffer containing 5% horse serum, 0.5% BSA, and 0.3%  Triton X-100 in 1X TBS 

245 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

14

 

overnight. Antibody binding was detected by incubating sections with fluorescently labeled secondary 

246 

antibodies for 2h in the incubation buffer. After staining nuclei with Topro-

3 (0.2 μM), sections were 

247 

mounted in Slowfade Diamond Antifade Mountant (Thermofisher), and imaged either on Zeiss LSM 

248 

900  Airyscan  2-point  scanning  confocal  microscope  (RRID:SCR_022263)  or  Andor  revolution  WD 

249 

spinning disk confocal microscope. For quantification and analyses, FIJI software was utilized. For 

250 

imaging and quantification of vGlut1

+

 and PSD95

+

 puncta, the spatial overlap between vGlut1 and 

251 

PSD95 were measured using Synapse Counter, as described previously (Dzyubenko et al., 2016), in 

252 

addition to analyzing whether the overlap was on the same plane through orthogonal views.  

253 

 

254 

Western  blotting. 

Primary  microglia  and  fresh  brain  tissues  were  homogenized  in  lysis  buffer 

255 

containing 1% NP-40, 10% glycerol, 20 mM Tris (pH 8.0), 137 mM NaCl, 1 mM MgCl

2

, 0.5 mM EDTA, 

256 

10  mM  sodium  pyrophosphate,  supplemented  with  1  mM  sodium  orthovana

date,  10  mM  β-

257 

glycerophosphate,  10  μg/ml  leupeptin,  1  μg/ml  aprotinin,  and  1  mM  PMSF.  Homogenates  were 

258 

rotated  at  4

o

C  for  15  min  and  centrifuged  at  14,000  rpm,  4

o

C  for  10  min,  and  supernatants  were 

259 

collected as lysates. Western blotting was done as previously described (Yoon, 2012). 

260 

 

261 

Crosslinking  of  PKM2  proteins. 

Protein  lysates  were  subjected  to  crosslinking  as  described 

262 

(Palsson-McDermott  et  al.,  2015).    Briefly,  lysates  from  primary  microglia  and  brain  tissues  were 

263 

incubated with 0.5 mM DSS at room temperature for 30 min. The reaction was quenched with 50 mM 

264 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

15

 

Tris  (pH  7.5)  at  room  temperature  for  15  min.  Crosslinked  lysates  were  resolved  on  5-20% 

265 

polyacrylamide gradient gels and subjected to Western blotting analyses using PKM2 antibody. 

266 

 

267 

Two-photon live imaging of microglial recruitment in vivo. 

Cx3cr1-GFP mice were subjected to 

268 

surgery to create a cranial window when they were 3-4 months old.  To reduce inflammation and pain, 

269 

ibuprofen (5 mg/kg in drinking water) and buprenorphine (0.05 mg/kg, SC) were administered to mice 

270 

for  a  day  before  the  surgery.  In  addition,  on  the  day  of  the  surgery,  carprofen  (5  mg/kg,  SC)  was 

271 

administered to reduce edema and inflammation. 

272 

Mice  were  anesthetized  under  an  isoflurane/oxygen  mixture  (5%  for  induction  and  2%  for 

273 

maintenance),  and  the  isoflurane  flow  was  controlled  by  scavenging  vaporizer  (Cat  #:  72-6468, 

274 

RRID:SCR_018956,  Harvard  Apparatus,  Holliston,  MA,  USA).  Throughout  the  surgery,  body 

275 

temperature was maintained with a heating pad, and an eye ointment was applied to prevent dryness 

276 

and provide protection from other solutions used during the surgery. Animals were placed onto the 

277 

stereotactic table (Cartesian Research, Sandy, OR, USA) and secured into position. Fur was removed 

278 

to expose the scalp which was then disinfected three times using independent swabs with 70% EtOH 

279 

and  betadine.  An  incision  was  made  to  expose  skull  and  periosteum  was  removed.  A  circular 

280 

craniotomy of about 3 mm was made with high-speed drill at the position of AP: -2.00 mm, ML: 1.7 

281 

mm. No.1 coverglass (Harvard Apparatus) was glued above the craniotomy with Vetbond (3M, St. 

282 

Paul, MN, USA) and dental cement. A custom-made plastic head bar was secured to the skull with 

283 

the dental cement to immobilize the head during imaging. Ibuprofen was provided in drinking water 

284 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

16

 

for 2-3 days post-op.  Mice were allowed to recover from the operation for a minimum of 2 weeks prior 

285 

to imaging.  

286 

For two-photon laser stimulation and in-vivo imaging, mice with cranial windows were treated 

287 

daily for 4 days via oral gavage with either vehicle (0.5% carboxymethyl cellulose, 0.1% Tween 80) 

288 

or TEPP-46 at 50 mg/kg. On the 5

th

 day, mice were anesthetized with an isoflurane/oxygen mixture 

289 

(5%  induction  and  1.5%  maintenance)  and  placed  onto  a  stainless-steel  frame  with  the  head 

290 

immobilized. The stainless-steel frame was then secured to a motorized stage using a FVMPE-RS 

291 

multiphoton microscope system (Olympus Corporation, Tokyo, Japan). With a 25X water immersion 

292 

objective (Cat #: XLPLN25XWMP2, Olympus), blood vessels on the cortical surface of the brain were 

293 

visualized through the cranial window. Cortical cells ~50 µm below the surface was imaged with  a 

294 

Ti:Sapphire laser (Chameleon Vision II, Coherent, Santa Clara, CA, 44USA). The region of interest 

295 

(ROI)  circle  was  drawn and  irradiated  with  a  700  nm  laser  at  100%  power  for  1 second.  The time 

296 

series of images were acquired every 1 min for 1 hour using a GaAsP photomultiplier tube through a 

297 

yellow dichroic filter (FV30-FCY, Olympus) at a 920 nm wavelength. 

298 

Images were analyzed as described in Etienne et al. (Etienne et al., 2019) with open-source 

299 

analysis  platform  ImageJ  and  Icy  (de  Chaumont  et  al.,  2012).  Images  were  first  processed  with 

300 

MultiStackReg  plugin  in  ImageJ  (Align,  Transformation:  Rigid  body)  for  correction  of  drifts.  The 

301 

modified images were then imported into Icy and a 35 µm circle was drawn, centered on the lesion 

302 

site. The signal was measured as mean intensity with ROI intensity evolution plugin over time and 

303 

measured  for  1  hour.  The  measured  value  was  then  exported  as  .XLS  file  and  normalized  with 

304 

equation: R(

t

) = (R

inner 

(

t

) - R

inner 

(

0

))/ R

outer 

(

0

) according to (Davalos et al., 2005). Each value from the 

305 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

17

 

time points were normalized by the mean of baseline value. Normalized value was statistically tested 

306 

with paired t-test (two-tailed, p<0.0001) using GraphPad Prism (GraphPad Software, La Jolla,  CA, 

307 

USA). 

308 

 

309 

Primary microglia cultures. 

Brains from Sprague Dawley rat pups at postnatal day 1-2 were isolated 

310 

and  dissected  to  obtain  cortices  and  hippocampi  in  ice-cold  120  mM  NaCl,  2.5  mM  KCl,  10  mM 

311 

NaHCO

3

, 1 mM NaH

2

PO

4

, 20 mM glucose, 20 mM HEPES. Following 20 min digestion at 37

 with 

312 

0.25%  trypsin  and  2.5 mg/mL  DNase I,  tissues  were triturated  with  a fire-polished  glass  pipette  in 

313 

minimum essential media (MEM) supplemented with 10% fetal bovine serum (FBS) and 1% penicillin 

314 

and streptomycin (P/S). Single cells from two brains were plated on one poly-D-Lysine coated T-75 

315 

flask, and the culture medium was changed once every third day and thereafter. On days 10-11 in 

316 

vitro (DIV10-11), microglia were isolated by a shake-off method using a shaker at 150 rpm, 37

o

C for 

317 

4h. Isolated microglia were subsequently immuno-purified using CD11b/c antibody conjugated beads, 

318 

(Miltenyi, Cat# 130-105-634, RRID:AB_2783886) and plated at 0.3-0.8 x 10

6

 cells/mL on PDL-coated 

319 

dishes or coverglasses in Dulbecco’s modified Eagle’s medium (DMEM) with 10%FBS and 1%P/S. 

320 

Purified microglia were typically cultured for 3-4 days (37

o

C, 5%CO

2

) prior to experimentation. 

321 

 

322 

Metabolic stress treatment. 

Rat primary microglia were plated in 6- or 12-well plates at a density 

323 

of 0.7-0.8 x 10

6

/well or 0.3-0.4 x 10

6

/well, respectively. Two to three days after plating, microglia 

324 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

18

 

were treated with TEPP-

46 (75 μM), 2-DG (1 mM), IACS-010759 (100 nM), dichloroacetate (DCA, 5 

325 

mM) for 24 hrs or indicated time points.  

326 

 

327 

MALDI-MSI sample preparation and data export. 

Slides were prepared as previously described, 

328 

(Hao et al., 2021), in brief, High-performance liquid chromatography (HPLC)-methanol, HPLC-grade 

329 

water and N-(1-Naphthyl) ethylenediamine dihydrochloride (NEDC) matrix were obtained from Sigma-

330 

Aldrich.  Tissue  was  slow  frozen  over  a  bath  of  dry-ice  cold  2-Methylbutane  for  7  minutes  prior  to 

331 

storage  in  -80C  until  cutting  on  slides.  Brains  were cut  on  a  Lecia  CM1860  cryostat  at 10

M  onto 

332 

positively charged glass slides and stored in the -80 until the day of sample preparation. On day of 

333 

run, the slides were removed from the freezer and placed in a desiccatior for one hour. Slides were 

334 

immediately  sprayed  with  14  passes  of  7mg/mL  NEDC  matrix  in  70%  methanol,  applied  at 

335 

0.06mL/min with a 3mm offset and a velocity of 1200mm/min at 30°C and 10psi using the M5 Sprayer 

336 

with a heated tray of 50°C. Slides were used immediately or stored in a desiccator until use. For the 

337 

detection of metabolites, a Bruker timsTOF QTOF high-definition mass spectrometer was used. The 

338 

laser was operating at 10000 Hz with 60% laser energy, with 300 laser shots per pixel and spot size 

339 

of 50µm at X and Y coordinates of 50µm with mass range set at 50 

– 2000m/z in negative mode. Data 

340 

acquisition  spectrums  were  uploaded  to  Scils  Software  (Bruker  Corporation)  for  the  generation  of 

341 

small  molecules.  Regions  of  interest  (ROIs)  were  drawn  around  brain  regions  based  on  the  Allen 

342 

Brain Atlas and exported using the SCILs lab API as tabular format. Pixel to pixel information and 

343 

statistical  analysis  are  performed  using  GraphPad  Prism9  (RRID:SCR_002798).    The  data  are 

344 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

19

 

represented  as 

relative  abundance  is  the  area  under  the  curve  for  each  mass  spec  peak  and 

345 

normalized to total ion current. 

 

346 

 

347 

Microglia  isolation  from  adult  mouse  brain  for  snRNAseq  and  protein  analyses. 

Mice  were 

348 

transcardially perfused with ice-cold saline. Brains were isolated and dissociated using the Adult Brain 

349 

Dissociation Kit (Miltenyi, Cat#130-107-677). After dissociation, the cells were triturated with a fire-

350 

polished  glass  pipette  in  HEBSS  solution  (120  mM  NaCl,  2.5  mM  KCl,  10  mM  NaHCO

3

,  1  mM 

351 

NaH

2

PO

4

,  20  mM  glucose,  20  mM  HEPES) 

and  filtered  through  a  40  μm  cell  strainer.  The  cell 

352 

suspension was then centrifuged at 300 rcf for 5 min at 4

o

C. The cell pellet was resuspended with 

353 

37% Percoll and subjected to a Percoll gradient (70%, 37%, 30%, 0%) at 4

o

C, and was centrifuged 

354 

for 40 min at 300 g (Lee and Tansey, 2013).  Microglia were collected at the 70%-37% interphase, 

355 

washed with 12 mL HEBSS and then immuno-purified using CD11b antibody-conjugated microbeads 

356 

(Miltenyi,  Cat#130-093-634).    For  Western  blotting,  proteins  were  extracted  with  lysis  buffer 

357 

(Harrington et al., 2002), and snap frozen in liquid N2 and stored at -80

o

C until analyses.  For single 

358 

nucleus RNA sequencing, the purified microglia were resuspended with 10% DMSO/90% fetal bovine 

359 

serum (FBS) and cryopreserved in liquid nitrogen until all mice were harvested. 

360 

 

361 

Single  nucleus  RNA  sequencing  of  microglia. 

Single  nuclei  were  isolated  from  microglial  cell 

362 

suspensions according to the 10X Genomics Sample Preparation Demonstrated Protocol. Briefly, cell 

363 

suspension was centrifuged at 300 rcf for 5 min, and the cell pellet was resuspended with 1 ml Lysis 

364 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

20

 

Buffer (10 mM Tris-HCl, 10 mM NaCl, 3 mM MgCl

2

, and 0.1% NP40 in nuclease-free water) using a 

365 

wide-bore pipette tip. Then the cells were lysed on ice for 5 min and centrifuged at 500 rcf for 5 min 

366 

at 4

o

C. The nuclei pellet was washed with 1 mL Nuclei Wash and Resuspension Buffer (1X PBS with 

367 

2% BSA and 0.2 U/μL RNase inhibitor) for 2 times using a regular-bore pipette tip. After the second 

368 

wash,  the  nuclei  pellet  was  resuspended  with  an  appropriate  volume  of  Nuclei  Wash  and 

369 

Resuspension  Buffer  to  achieve  a  concentr

ation  of  1000  nuclei/μL  and  filtered  through  a  40  μm 

370 

Flowmi Tip Strainer. The nuclei concentration was determined using a hemocytometer and adjusted 

371 

to 1000 nuclei/μL. Then the nuclei were then subjected to chip loading immediately using the 10X 

372 

Genomics C

hromium Next GEM Single Cell 3’ Reagent kits v3.1 at Ohio State University Genomics 

373 

Shared Resource. 

374 

 

375 

Single-nucleus RNA-seq data processing and alignment. 

Sequenced single cell reads in FASTQ 

376 

format were aligned to a reference transcriptome using the GRCm38 (mm10) genome (downloaded 

377 

March 2021 refdata-gex-mm10-2020-A build from 10x Genomics website) using 10x Genomics Cell 

378 

Ranger software (Cell Ranger 6.0.0 (Zheng et al., 2017)) based on default parameters with include-

379 

introns function. Output files from Cellranger count was analyzed using Seurat 4.0.4 (Hao et al., 2021). 

380 

Briefly, QC-filtered cells were further selected based on RNA content thresholds: greater than 200; 

381 

less than 4000 unique expressed genes (nFeature_RNA) and mitochondrial gene content less than 

382 

20%.    Preprocessed  data  from  the  6  samples  were  integrated  using  the  standard  processing  with 

383 

Seurat. Data was normalized using log1p via the NormalizeData function (Hao et al., 2021). Variable 

384 

features were found with the FindVariableFeatures function (2000 features). After scaling and PCA 

385 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

21

 

normalization  with  default  parameters,  cells  were  partitioned  into  clusters  using  Seurat  functions 

386 

FindNeighbors and FindClusters functions (dimensions = 20, res = 0.2) with the Louvain algorithm. 

387 

The  identified  clusters  were  then  visualized  using  Uniform  Manifold  Approximation  and  Projection 

388 

(UMAP) embeddings (dimensions = 20).  

389 

Feature Plots were generated using Seurat function FeaturePlot using the RNA assay. The 

390 

module  score  was  calculated  from  specified  genes  using  the  Seurat-implemented  function 

391 

AddModuleScore  and  generated  using  the  FeaturePlot  function  as  described  (Hao  et  al.,  2021). 

392 

Module  score  is  a  calculate  the  average  expression  levels  of  each  cluster  at  the  single  cell  level 

393 

subtracted  by  the  aggregated  expression  of  random  control  feature  sets  (200  by  default).  Cluster 

394 

based differential expression was performed using the FindMarkers Seurat function using the RNA 

395 

assay  or  normalized  RNA  data.  Volcano  plots  were  generated  using  the  EnhancedVolcano 

396 

[https://github.com/kevinblighe/EnhancedVolcano] R function based on normalized RNA assay data 

397 

from the NormalizeData function.   

398 

Averaged  expression  matrix  from  each  cluster  was  exported  from  Seurat  using  the 

399 

AverageExpression  function.  Gene  expression  values  were  normalized  using  a  row-based z-score 

400 

calculation function were plotted using pheatmap function (Gu et al., 2016). 

401 

        Volcano  plot:  Raw  RNA  expression  data  were  normalized  using NormalizeData  function  with 

402 

default  settings.  This  converts  the  expression  values  to  natural  log  transformed  using  log1p. 

403 

Differential expression of all microglia clusters (0,1,2,3,4,6) was performed between conditions using 

404 

FindMarkers  (only.pos  =  FALSE,  min.pct  =  0.15,  logfc.threshold=  0.15).  A  total  of  484  significant 

405 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

22

 

genes 

was 

found. 

Volcano 

plots 

were 

generated 

using 

the 

EnhancedVolcano 

406 

[https://github.com/kevinblighe/EnhancedVolcano].

 

407 

Pathway enrichment analysis for microglia clusters was performed using Ingenuity Pathway 

408 

Analysis (IPA) (Kramer et al., 2014). Raw data for IPA analysis was found using Seurat 

409 

implemented function FindMarkers (only.pos = FALSE, min.pct = 0.15, logfc.threshold= 0.15) from 

410 

each cluster/condition tested against all other cells. Differential expression output was analyzed in 

411 

IPA core analysis using Expr log Ratio (confidence = experientially observed, species = Mouse, 

412 

Tissue & cells lines = Nervous system and all Macrophages, stringent filtering on molecules and 

413 

relationships). Infers likely activation states of biological functions based on comparison with a 

414 

model that assigns random regulation. IPA p-value was calculated with the Fischer's exact test, 

415 

reflects the likelihood that the association between a set of genes in dataset compared to IPA 

416 

datasets. Based on QIAGEN metrics, IPA pathway z-score of greater or equal to positive 2 is 

417 

considered activated, while a score less than or equal to negative 2 is considered an inhibited 

418 

pathway.Ratio is the number of genes from the list that maps to the pathway divided by the total 

419 

number of genes that map to the same pathway. Canonical Pathway and Upstream Regulator 

420 

figures were generated using ggplot2 dotplot function [https://ggplot2.tidyverse.org/]. 

421 

     Cell-cell  communication  analysis  was  preformed  using  CellChat  (Jin  et  al.,  2021)  after  clusters 

422 

were labeled. Standard preprocessing steps were preformed using the CellChatDB.mouse dataset. 

423 

Analysis  was  preformed  independently  between  wildtype  and  knockout  cells  after  removing  non-

424 

myeloid cells of interest and splitting the integrated dataset using Seurat SplitObject function. CellChat 

425 

wildtype  and  knockout  objects  were  merged  using  merge  CellChat  function.  Basic  comparison 

426 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

23

 

analysis  was  used  to  generate  figures.  Figures  were  generated  using  default  settings  for  each 

427 

function. 

428 

 

429 

Measurement and quantification of ECAR  and OCR of rat and mouse microglia. 

Extracellular 

430 

acidification  rate  (ECAR)  and  oxygen  consumption  rate  (OCR)  were  measured  using  a  Seahorse 

431 

XFe24 analyzer (RRID:SCR_019539, Agilent). Rat primary microglia were immuno-purified from the 

432 

mixed glia cultures isolated from P1-2 rats, and plated at 50,000-60,000 cells/well on an XF24 cell 

433 

culture microplate that was precoated with 0.1 mg/mL PDL, and cultured for 3-4 days. The cartridge 

434 

was hydrated in XF calibrant buffer overnight in a CO

2

-free 37

 incubator. On the day of the assay, 

435 

the assay medium for ECAR (XF base medium with 4 mM glutamine) and OCR (XF base medium 

436 

with 25 mM glucose, 1 mM pyruvate and 4 mM glutamine) were prepared freshly. To induce glycolytic 

437 

and  respiratory  stress,  glucose  (10  mM),  2-deoxy-D-glucose  (2-

DG,  50  mM),  oligomycin  (1  μM), 

438 

FCCP  (0.5  μM)  and  rotenone  (0.5  μM)  /antimycin  A  (0.5  μM)  were  prepared  as  10X  solutions  in 

439 

respective assay media according to the Agilent’s instructions.  

440 

For  ECAR  and  OCR  measurement  on  adult  mouse  microglia,  the  control  FAD:i-PKM2

MC

  and 

441 

experimental  FAD:i-PKM2

  mice  were  treated  daily  with  75 mg/kg  of tamoxifen  dissolved  in  10% 

442 

ethanol and 90% oil for 5 days via oral gavage at 1-month old. Two weeks after the last tamoxifen 

443 

dosing, mouse brains were isolated and dissociated using the Adult Brain Dissociation Kit (Miltenyi, 

444 

Cat#130-107-677) 

according to the manufacturer’s instructions. Microglia were immuno-purified using 

445 

CD11b antibody-conjugated microbeads (Miltenyi, Cat#130-093-634), plated at 60,000 cells/well on 

446 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

24

 

an XF24 cell culture microplate that was precoated with 0.1 mg/mL PDL, and cultured for 7 days in 

447 

DMEM supplemented with 10%FBS, 1%P/S, 50 ng/mL granulocyte-macrophage colony-stimulating 

448 

factor (GM-CSF), and 100 ng/mL macrophage colony-stimulating factor (M-CSF). One day before the 

449 

Seahorse experiment, the cartridge was hydrated in XF calibrant buffer overnight in a CO

2

-free 37

 

450 

incubator. The assay medium (XF base medium with 4 mM glutamine) was prepared freshly on the 

451 

day of the assay. Glucose (10 mM), 2-DG (50 mM), oligomycin 

(1 μM), FCCP (1.5 μM) and rotenone 

452 

(0.5 μM) /antimycin A (0.5 μM) were prepared as 10X solutions in assay medium and added to the 

453 

cell cultures to induce glycolytic and respiratory stress during the Seahorse experiment.    

454 

 

455 

Transmission electron microscopy.

 Control FAD:i-PKM2

MC

 and experimental FAD:i-PKM2

 mice 

456 

were treated daily with 75 mg/kg of tamoxifen dissolved in 10% ethanol and 90% oil for 5 days via 

457 

oral gavage at 2-month old. At 4 months, mice were transcardially perfused with ice-cold saline. Brains 

458 

were  isolated  and  dissociated  using  the  Adult  Brain  Dissociation  Kit  (Miltenyi,  Cat#130-107-677) 

459 

according to the manufacturer’s instructions. Microglia were immuno-purified using CD11b antibody-

460 

conjugated  microbeads  (Miltenyi,  Cat#130-093-634).  Freshly  isolated  microglia  were  immediately 

461 

fixed  in  2%  paraformaldehyde/2.5%  glutaraldehyde  in  0.1  M  sodium  cacodylate  buffer  (pH  7.2)  at 

462 

room temperature for 1 hr, and embedded in 2% agarose for TEM processing. Samples were post-

463 

fixed with 1% osmium tetroxide and then en bloc stained with 1% aqueous uranyl acetate, dehydrated 

464 

in a graded series of ethanol, and embedded in Eponate 12 epoxy resin (Ted Pella Inc., Redding, 

465 

CA). Ultrathin sections were cut with a Leica EM UC6 ultramicrotome (Leica microsystems, EM FC7). 

466 

Images  were  acquired  with  an  FEI  Tecnai  G2  Spirit  BioTwin  transmission  electron  microscope 

467 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

25

 

(Thermo Fisher Scientific, Waltham, MA), and a Macrofire (Optronics, Inc., Chelmsford, MA) digital 

468 

camera  and  AMT  image  capture  software.  The  length  and  area  of  mitochondrial  cristae  were 

469 

measured and quantified with ImageJ. 

470 

 

471 

Quantitative PCR. 

Total RNA was isolated from primary rat microglia and fresh mouse brain tissues 

472 

using  TRIzol  Reagent  according  to  the  user  guide.  Equal  amounts  of  total  RNA  (0.5-

1  μg)  were 

473 

reverse transcribed using the OneTaq RT-PCR kit (New England Biolabs, Cat#E5310). Quantitative 

474 

PCR  (qPCR)  was  performed  using  PowerUp  SYBR  Green  Master  Mix  (Applied  Biosystems, 

475 

Cat#100029284) and a QuantStudio 3 Real-Time PCR Instrument (Applied Biosystems). The relative 

476 

mRNA levels of target genes were calculated using the ΔΔCt method, and Gapdh was selected as 

477 

the endogenous control. 

478 

 

479 

Experimental design and statistical analysis. 

Statistical analyses were performed using GraphPad 

480 

Prism  v9.3.0  (RRID:SCR_002798).      The  data  are  expressed  as  mean  ±  SEM.  The  significance 

481 

between different experimental groups was tested by paired or 

unpaired Student’s 

t

-test as indicated 

482 

in  the  figure  legends.    When  experimental  groups  include  their  own  biological  replicates,  they  are 

483 

indicated. The p-values that were less than 0.05 were presented in the figures. 

484 

 

485 

RESULTS 

486 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

26

 

Aberrant activation of PKM2 in 

Alzheimer’s disease 

487 

As the first step to address a possible metabolic effect on AD pathology, we examined whether there 

488 

are  differences  in  glycolytic  enzyme  expression  between  wild  type  control  and  5XFAD  mice.  The 

489 

protein expression of most enzymes did not show any changes, except for hexokinase 2 (HK2), the 

490 

platelet isoform of phosphofructokinase (PFKP), and PKM2 (Fig. 1A, B, C, D).  PKM2 in particular 

491 

was present mainly as active tetramers in the brain,  and its levels were increased in 5XFAD mice 

492 

(Fig. 1C, D).  Expression of its alternative isoform, PKM1, on the other hand showed no difference 

493 

between the control and 5XFAD mice.  This is in agreement with a recent paper where they showed 

494 

an increase in PKM2 in 5XFAD mice, although they only tested for total PKM2 without distinguishing 

495 

the  active  tetramers  from  inactive  monomers  and  dimers  (Pan  et  al.,  2022).    Similar  increases  in 

496 

PKM2 tetramers and monomers but not PKM1 were detected when we analyzed human frontocortical 

497 

lysates from AD cases compared to age matched controls (Fig. 1E, F).   

498 

 

499 

We  next  sought  to  determine  which  cell  types  in  the  brain  express  PKM2  by  performing 

500 

immunohistochemistry on 5XFAD and control mouse brain sections at 4-5 months. In the wild type 

501 

mouse brain, PKM2 immunoreactivity was detectable at a very low level in Iba1

+

 microglia and GFAP

+

 

502 

astrocytes throughout different regions of the brain. In 5XFAD mice on the other hand, its expression 

503 

increased  dramatically,  especially  among  Iba1

+

  microglia  that  were  associated  with  Amylo-Glo-

504 

labeled Aβ plaques (Fig. 2A, B). These PKM2

+

 microglia near amyloid plaques also expressed high 

505 

levels of TREM2, with expression of PKM2 and TREM2 colocalizing completely (Fig. 2C, D). Since 

506 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

27

 

TREM2 is known to regulate metabolic homeostasis in microglia (Ulland et al., 2017) and pyruvate 

507 

kinase (PK) is a key enzyme that determines glycolytic activity, the complete colocalization of PKM2 

508 

and  TREM2  expression  in  plaque-associated  microglia  may  suggest  a  critical  role  of  metabolic 

509 

balance in TREM2-mediated function in microglia.   

510 

 

511 

Microglial recruitment to amyloid plaques has been shown to be influenced by TREM2 (Wang et al., 

512 

2015; Parhizkar et al., 2019) and 

the microglia’s energy status (Ulland et al., 2017; Baik et al., 2019). 

513 

Since PKM2 is expressed in TREM2

+

 microglia surrounding plaques, we asked whether activating 

514 

PKM2  among  microglia  would  influence  chemotactic  migration  of  microglia  to  an  injury  site.  To 

515 

address this question, PKM2 was activated with TEPP-46, a CNS penetrable PKM2-specific activator 

516 

(Anastasiou et al., 2012; Angiari et al., 2020; Seki et al., 2020) in Cx3cr1-GFP mice, in which migration 

517 

patterns of GFP

+

 microglia toward injury site can be followed in vivo using 2-photon microscopy.  Our 

518 

experimental scheme is depicted in Fig. 3A: After 2 weeks of recovery from surgery, mice were treated 

519 

once a day with TEPP-46 or vehicle for 4 days.  2-photon microscopy was conducted on the following 

520 

5

th

  day.    In  vehicle-treated  control  mice,  GFP

+

  microglia  were  rapidly  recruited  to  the  injury  site 

521 

reaching a peak in 45-60 min, while their migration was significantly slower and did not reach the peak 

522 

in 60 min in TEPP-46 treated mice (Fig. 3B, C).  These results are somewhat similar to those of a 

523 

report where systemic delivery of 2-deoxyglucose (2-DG) completely blocked microglial migration for 

524 

the entire 60 min in the same  Cx3cr1-GFP mice (Baik et al., 2019).  The authors concluded that it 

525 

was mainly due to 2-DG inhibiting glycolysis.  We thus tested whether our TEPP-46 treatment plan 

526 

was indeed effective in inducing tetramerization of PKM2 by isolating Cd11b

+

 microglia and measuring 

527 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

28

 

the extent of PKM2 tetramerization as in Fig. 1.  A 4-day dosing of TEPP-46 was sufficient to induce 

528 

PKM2 tetramerization in microglia compared to the vehicle control (Fig. 3D), which we interpret as 

529 

suggesting that PKM2 must have influenced glycolysis and/or oxidative phosphorylation in TEPP-46 

530 

treated mice.       It  should  also  be  noted that  2-DG  is  known  to  block  both  glycolysis  and  oxidative 

531 

phosphorylation (Wick et al., 1957; Wang et al., 2018).  

532 

 

533 

Baik et al. has also shown that Cx3cr1-GFP

+

 microglial motility was significantly reduced in 5XFAD 

534 

mouse  background  compared to  the  wild type  when  lesioned  with  laser  (Baik  et  al.,  2019).   Since 

535 

TEPP-46  treatment  increased  tetramerization  of  PKM2  efficiently,  and  5XFAD  mice  express  high 

536 

levels of PKM2 tetramers in microglia at 6-8 months of age (Fig. 1C and 2C), it could be concluded 

537 

that the attenuated motility of Cx3cr1-GFP

+

 microglia in 5XFAD mice was in part attributed to PKM2 

538 

tetramers.   

539 

 

540 

To  further  investigate  the  effects  of  PKM2  activation  on  metabolism,  we  measured  the  effects  of 

541 

TEPP-46  on  microglia  bioenergetics  using  Seahorse  analyses  of  primary  rat  microglia  with  and 

542 

without  TEPP-46.    A  4-hr  pre-treatment  with  TEPP-46  led  to  20%  reduction  in  basal  glycolysis  in 

543 

microglia, based on an ECAR assay (Fig. 3E, F).  Maximum glycolytic capacity was also decreased 

544 

by 31%, which led to a 50% reduction in glycolytic reserve.  In addition, 1-hr incubation of rat microglia 

545 

with TEPP-46 resulted in a 35% reduction in lactate production (Fig. 3G).  In OCR assays, TEPP-46 

546 

had  no  effect  on  basal  respiration,  but  reduced  maximal  respiratory  capacity  by  24%  and  spare 

547 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

29

 

respiratory capacity by 29% (Fig. 3H, I).  As a control, we demonstrate that 1-hr treatment with TEPP-

548 

46 induced tetramerization of PKM2 (Fig. 3J).  These results may sound opposite to what one expects 

549 

from TEPP-46 treatment based on the Warburg effect, but a growing literature suggests that the well-

550 

accepted positive links between glycolysis with a proinflammatory response, and respiratory activity, 

551 

with  an  anti-inflammatory  response  may  not  be  so  strict.    For  instance,  under  conditions  in  which 

552 

PKM2  expression  is  induced,  such  as  LPS  treated  macrophages,  TEPP-46  treatment  significantly 

553 

reduced IL-1

 production (Palsson-McDermott et al., 2015).   Similarly, deleting HK2, the first enzyme 

554 

in glycolysis, from Cx3cr1

+

 microglia, resulted in reduction in both glycolytic and respiratory function 

555 

(Hu et al., 2022).  We surmise that our data provide additional support for the emerging notion that 

556 

perturbations in the glycolytic pathway will have an impact not only on glycolysis but also on oxidative 

557 

phosphorylation under pathological conditions. 

558 

 

559 

Selective deletion of Pkm2 in microglia leads to reduction in AD pathology in 5XFAD mice 

560 

To determine the role of 

Pkm2

 in microglial metabolism and its effect on AD pathology, we deleted 

561 

PKM2  from  microglia  by  crossing  5XFAD  mice  with  Cx3cr1-CreERT2:PKM2

fl/fl

  mice.    Tamoxifen-

562 

mediated deletion of PKM2 from microglia was highly effective without causing a huge compensatory 

563 

increase in its isoform, PKM1, in the experimental FAD:i-PKM2

M∆

 mice compared to the control FAD:i-

564 

PKM2

MC

  mice  (Fig.  4A,  B).    Selective  deletion  of  PKM2  in  microglia  but  not  in  astrocytes  is  also 

565 

confirmed by immunohistochemistry of 4-month-old mouse brain sections from both genotypes (Fig. 

566 

4C).  In regard to its effect on overall AD pathology, deleting PKM2 in microglia resulted in a reduction 

567 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

30

 

in  AD  pathology  in  5XFAD  mice:  Both  soluble  and  insoluble  A

42  levels  were  reduced  in  FAD:i-

568 

PKM2

M∆

 mice compared to the control via Western blots and ELISA assays at 4-5 months (Fig. 4D, 

569 

E).    This  reduction  was  reflected  in  a  decline  in  amyloid  plaque  numbers  and  in  their  sizes  upon 

570 

deleting PKM2; the proportion of plaques that were less than 25 

m

2

 was significantly higher in FAD:i-

571 

PKM2

M∆

  mice  compared  to  its  control,  while  the  proportion  of  plaques  greater  than  250 

m

2

  was 

572 

significantly reduced in FAD:i-PKM2

M∆

 mice than in the control (Fig. 4F, G, H).  In line with these data, 

573 

the  number  of  active  synapses  was  increased  in  the  stratum  oriens  of  the  CA1  region  of  the 

574 

hippocampus (Fig. 4I, J).  Active synapses were defined by synaptic puncta which showed apposing 

575 

or overlapping PSD95 and vGlut1 signals.  These results together suggest that aberrant activation of 

576 

PKM2 in microglia contributes significantly to AD pathology. This phenotype of FAD:i-PKM2

M∆

 mice 

577 

is almost identical to what was published in Pan et al. (Pan et al., 2022). 

578 

 

579 

Selective deletion of Pkm2 from microglia in 5XFAD mice leads to activation of DAM phenotype 

580 

in microglia 

581 

Under  neurodegenerative  conditions,  microglia  undergo  transcriptomic  changes  that  are 

582 

characterized as homeostatic, DAM1, and DAM2 stages (Keren-Shaul et al., 2017).  While TREM2 

583 

activation  is  crucial  for  developing  the  DAM2  signature,  the  signal  that  induces  the  change  from 

584 

homeostasis to the DAM1 stage is not clear.  Since retaining TREM2, a gene belonging to the DAM2 

585 

stage, is protective against AD pathology (Keren-Shaul et al., 2017; Zhou et al., 2020), an increase 

586 

in DAM gene expression would be regarded as being beneficial in general, bestowing microglia with 

587 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

31

 

the correct cellular tools to remove toxic amyloid.  We hypothesized that metabolic stress is a signal 

588 

that  regulates  the  development  of  the  DAM1  signature  in  microglia.    To  address  whether  PKM2 

589 

deletion altered DAM signatures in microglia, and whether the analyses would unveil subclusters of 

590 

microglia  that  are  critical  for  glucose  metabolism,  we  performed  snRNAseq  analyses  of  microglia 

591 

isolated with Cd11b antibody-conjugated beads from FAD:i-PKM2

M∆

 and control FAD:i-PKM2

MC

 mice 

592 

at  4  months  of  age  using  the  10X  Genomics  Chromium  Next  GEM  Single  Cell  3’  Reagent  kits 

593 

(Extended  Table  5-1).   From  3  mice  per  genotype,  a total  of  15,636  and  18,512  cells  from  FAD:i-

594 

PKM2

MC

  and  FAD:i-PKM2

M∆ 

microglia,  respectively,  were  selected  for  subsequent  analyses  after 

595 

QC/filtering steps.  Following unbiased cell clustering, 13 distinct cell clusters were identified, which 

596 

is also shown as Uniform Manifold Approximation and Projection (UMAP) (Fig. 5A).  Of the 13 clusters, 

597 

6 (namely clusters 0, 1, 2, 3, 4, and 6) were microglial clusters comprising 83.5% and 87.0% of the 

598 

total from the control and FAD:i-PKM2

M∆

 mice, respectively (Fig. 5B).  A macrophage cluster was also 

599 

identified  as  cluster  5,  which  comprised  9.16%  and  7.64%  of the  total  from  the  control  and  FAD:i-

600 

PKM2

M∆

 mice, respectively, reflecting the microglia/macrophage-specific Cx3cr1-CreERT2 line used 

601 

for the study.  The rest of the clusters comprised less than 2% of the total, so they were not included 

602 

in subsequent analyses.  All 6 microglia plus macrophage clusters expressed the 

Pkm

 gene, and its 

603 

expression was lowest in cluster 0, while its expression was significantly higher in clusters 4 and 6 

604 

(Fig. 5C and Extended Table 5-2).  It should be clarified that upon Cre-mediated recombination, only 

605 

Pkm2

-specific  exon  10  becomes  deleted  while  leaving  the  rest  of  the 

Pkm

  gene  intact,  allowing 

606 

detection of the 

Pkm

 gene by snRNAseq (Israelsen et al., 2013).  When the 484 DEG were analyzed 

607 

in  a  Volcano  plot  (Extended  Table  5-3),  we found  many  DAM  genes,  such  as 

ApoE

,  were  among 

608 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

32

 

those whose levels increased most upon 

Pkm2 

deletion, which is highlighted with pink arrows in the 

609 

Volcano plot (Fig. 5D).  Individual UMAP feature plots of 

ApoE

 expression additionally illustrate that 

610 

Pkm2

 deletion resulted in a substantial increase in 

ApoE

 expression in clusters 4 and 6 in particular, 

611 

although its expression was increased in all microglial clusters (Fig. 5E).  

Trem2

 expression was also 

612 

increased in cluster 4 in FAD:i-PKM2

M∆

 mice, although the extent of its increase is much less than 

613 

that of 

ApoE

, probably due to the age at the time of the microglia isolation for snRNAseq, 4 months.  

614 

ApoE

 expression was shown to precede the expression of 

Trem2 

in 5XFAD mice (Keren-Shaul et al., 

615 

2017). In accordance with the snRNAseq data, we observed ~2-fold increase in APOE but not TREM2 

616 

protein expression in Cd11b

+

 microglia isolated from 4-5 month-old FAD:i-PKM2

M∆

 mice (Fig. 5F, G).   

617 

 

618 

Changes in all the DAM genes in each of the microglia and macrophage clusters were examined as 

619 

heatmap analyses.  A heatmap plot of DAM genes revealed that ~75% of them were expressed highly 

620 

in clusters 4 and 6, with cluster 6 expressing ~50% of DAM genes (Fig. 6A).  With 

Pkm2 

deletion, 

621 

38% of homeostatic genes were downregulated in the cluster 6, while 63% of homeostatic genes in 

622 

the cluster 6 were upregulated.  Among DAM stage 1 and 2 genes in clusters 2, 4, and 6, 81% showed 

623 

increases

while only 17% showed a decrease upon 

Pkm2

 deletion (Fig. 6B).  The majority of genes 

624 

whose expression increased with 

Pkm2 

deletion belongs to clusters 4 and 6, which express a higher 

625 

level of 

Pkm 

mRNA compared to other microglial clusters, suggesting glucose imbalance, perhaps 

626 

mediated  by  the  increase  in  the 

Pkm

  gene  in  5XFAD  mice,  influences  DAM  gene  expression.    A 

627 

similar  pattern of gene expression was observed when we analyzed AD risk genes  (Jansen et al., 

628 

2019; Kunkle et al., 2019; Schwartzentruber et al., 2021; Wightman et al., 2021; Bellenguez et al., 

629 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

33

 

2022):  ~65%  of  AD  risk  genes  were  highly  expressed  in  cluster  6  (Fig.  6C),  and 

Pkm2

  deletion 

630 

resulted in both up and downregulation of genes (Fig. 6D).  This is in agreement with a recent report 

631 

that  demonstrated  that  the  ‘sugar  metabolism’  module  is  also  enriched  with  proteins  that  are 

632 

implicated as AD genetic risk factors (Johnson et al., 2020).   

633 

 

634 

We also wanted to compare changes in homeostatic and DAM genes among clusters 2, 4, and 6 from 

635 

each  other  in  FAD:i-PKM2

MC

  and  FAD:i-PKM2

M∆

  mice.    Changes  included  both  increased  and 

636 

decreased genes upon 

Pkm2

 deletion. The proportion of each class of genes out of the 56 total that 

637 

expressed  homeostatic,  DAM1,  and  DAM2  genes  is  presented  for  clusters  of  2,  4,  and  6  as  pie 

638 

diagrams (Fig. 6E).  

Between the two genotypes, the proportions in each cluster didn’t change greatly 

639 

in each class of homeostatic, DAM1, and DAM2 genes.  When we distinguished those that increased, 

640 

decreased, and were unchanged upon 

Pkm2

 deletion, however, the differences became obvious (Fig. 

641 

6F).  In cluster 2, a majority of genes did not change, except for some increase in DAM2 genes.  In 

642 

cluster  4,  homeostatic  genes  remained  unchanged,  while  both  DAM1  and  DAM2  genes  increased 

643 

dramatically.  Also in cluster 6, large changes were observed, especially with homeostatic genes, all 

644 

of which showed either an increase or decrease.  Like cluster 4, DAM1 genes in cluster 6 increased 

645 

greatly.  A majority of DAM2 genes on the other hand remained unchanged, although some showed 

646 

an increase.  These results highlight our notion that 

Pkm2

 deletion resulted in a significant increase 

647 

in DAM1 genes, especially in clusters 4 and 6. Quantitative PCR analyses of selective AD risk and 

648 

DAM genes using RNA from isolated microglia confirmed the snRNAseq data (Fig. 6G).  Based on 

649 

these data, we surmised clusters 4 and 6 are good candidates for metabolic microglia clusters. 

650 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

34

 

 

651 

Cluster 6 is metabolic microglia cluster 

652 

Ingenuity pathway analyses using 15 top canonical cellular pathways revealed that cluster 6 differs 

653 

from the other microglial clusters: When comparing the plots for cluster 6 to clusters 0 to 5, for each 

654 

criterion of biological function, cluster 6 exhibits a generally reversed relationship for each   Z-score 

655 

sign and magnitude.  In more detail, the genes whose levels increased in clusters 0 to 5 include those 

656 

that  play  roles  in  RhoGDI  signaling,  PPAR  signaling,  PTEN  signaling,  VDR/RXR  activation, 

657 

PPAR

/RXR

 activation, and cell cycle regulation.  The genes whose levels increased in cluster 6 on 

658 

the  other  hand  included those for  adherens junction,  CDC42  signaling,  spliceosomal  cycle,  AMPK 

659 

signaling, autophagy, RAC signaling, PLC signaling, and the senescence pathway (Fig. 7A).  

Pkm2

 

660 

deletion  did  not  alter  these  distinct  features  of  cluster  6  greatly,  except  for  the  strength  of  each 

661 

pathway.    As  a  way  to  validate  the  significance  of  the  Ingenuity  pathway  analyses,  we  analyzed 

662 

whether  the  extent  of  AMPK  activation,  a  major  metabolic  regulator  of  global  cellular  energy 

663 

homeostasis,  was  altered  in  microglia  by  performing  Western  blotting  of  proteins  extracted  from 

664 

Cd11b

+

 microglia from FAD:i-PKM2

MC

 and FAD:i-PKM2

M∆

 mice.  P-AMPK

 and p-ACC levels were 

665 

elevated  significantly  in  FAD:i-PKM2

M∆

  compared  to  those  in  FAD:i-PKM2

MC

  mice  (Fig.  7B,  C), 

666 

suggesting 

Pkm2

  deletion  had  an  effect  on  AMPK  activation.    Although  this  data  do

esn’t  derive 

667 

exclusively from cluster 6 microglia per se, it should be regarded as included.  We thus conclude that 

668 

cluster  6  microglia  are  unique  in  their  signaling  capacity,  including  the  AMPK  pathway.    This  data 

669 

corresponds well with the report that PKM knockdown increased AMPK

 phosphorylation in cancer 

670 

cell lines (Prakasam et al., 2017).  

671 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

35

 

 

672 

Cluster 6 also stood out when we performed CellChat analysis with differentially expressed genes 

673 

from microglial/macrophage clusters (Jin et al., 2021): CellChat analysis identified 12 shared ligand-

674 

receptor interactions with high significance (Fig. 8A).  From the CellChat analyses, we focused on Axl 

675 

signaling via ProS/Gas6, since not only 

Axl 

expression increased dramatically in cluster 6 in FAD:i-

676 

PKM2

M∆

 compared to that in FAD:i-PKM2

MC

 mice (Fig. 8B, C), but also its signaling capacity increased 

677 

dramatically in cluster 6 in FAD:i-PKM2

M∆

 compared to that in FAD:i-PKM2

MC

 mice (Fig. 8D).  Axl is a 

678 

member of the Tyro3-Axl-Mer (TAM) receptor family, involved in engulfing amyloid plaques (Huang 

679 

et al., 2021). We hypothesized that Axl expression and signaling may represent a cluster 6-mediated 

680 

event.  Indeed, Axl expression colocalized with PKM2 among microglia that were near a plaque, and 

681 

not  with  microglia  that  were  not  associated  with  plaques  (Fig.  8E).    In  addition,  we  observed  an 

682 

increase in p-Axl/Axl signals from the extracts isolated from microglia from FAD:i-PKM2

M∆

 compared 

683 

to FAD:i-PKM2

MC

 mice (Fig. 8F, G).  Although we could not tell if Axl activation occurs in cluster 6 at 

684 

this  time,  these  results  together  support  the  notion  that  cluster  6  differs  from  other 

685 

microglial/macrophage clusters.  We thus interpret these data as suggesting that microglia belonging 

686 

to cluster 6 are among those that are actively recruited to amyloid plaques, where they phagocytose 

687 

amyloid 

, and efferocytose damaged cells.  In accordance with the data, ~64% of phagocytic genes 

688 

were expressed in cluster 6 (Fig. 8H).   

689 

 

690 

Cluster 6 contains genes involved in glycolysis and TCA cycle.   

691 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

36

 

In support of our hypothesis that cluster 6 is a metabolic cluster, we found that a majority of genes in 

692 

the glycolytic pathway and in TCA cycles are enriched in cluster 6 (Fig. 9A, C).  Upon deleting 

Pkm2

693 

expression of more than 50% of the genes increased further in cluster 6 (Fig. 9B, D), suggesting a 

694 

crucial role of PKM2 in metabolic environment in cluster 6 microglia.  When we analyzed glycolytic 

695 

enzyme expression in Cd11b

+

 microglial extracts from FAD:i-PKM2

MC

 and FAD:i-PKM2

M∆

 mice, the 

696 

increase upon 

Pkm2

 deletion was reflected only among HK1, LDHa, and PDH, but not in HK2 and 

697 

GAPDH, although their protein expression levels were increased in FAD:i-PKM2

M∆

 mice  (Fig. 9E, F).  

698 

Among enzymes from the TCA cycle, malate dehydrogenase 2 (MDH2) protein levels were increased 

699 

in FAD:i-PKM2

M∆

 mice compared to its control, while citrate synthase (CS) protein levels did not show 

700 

a statistically significant difference (Fig. 9G, H).  We interpret these results as suggesting that PKM2 

701 

deletion influences not only glycolytic but also TCA cycle enzyme levels in microglia.  

702 

 

703 

PKM2  deletion  leads  to  restoration  of  both  glycolytic  and  respiratory  capacity  in  adult 

704 

microglia from 5XFAD mice 

705 

We  decided  to  perform  functional  assays  to  measure  changes  in  glycolysis  and  mitochondrial 

706 

respiration with 

Pkm2

 deletion by employing Seahorse Analyzer.  For this, we immunopurified Cd11b

+

 

707 

microglia at 6 weeks from both genotypes and measured both ECAR and OCR.  Microglia from FAD:i-

708 

PKM2

M∆

 mice exhibited a significant increase in both basal and maximal glycolytic capacity in ECAR 

709 

assays; basal glycolysis increased by 79% and maximal glycolytic capacity by 2-fold (Fig. 10A, B). 

710 

Glycolytic  reserve  was  increased  but  not  significantly.    These  results  are  opposite  to  rat  primary 

711 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

37

 

microglia  treated  with  a  PKM2  metabolic  activator,  TEPP-46,  where  basal  glycolysis,  glycolytic 

712 

capacity, and glycolytic reserve were reduced (Fig. 3E, F, G).  These results suggest that metabolic 

713 

activation  of  PKM2  is  inhibiting  overall  microglial  glycolytic  capacity  without  affecting  glycolytic 

714 

reserve.    Regarding  mitochondrial  respiration, 

Pkm2 

deletion  did  not  have  any  effect  on  basal 

715 

respiration,  but  increased  maximal  respiration  by  31%,  which  resulted  in  a  50%  increase  in  spare 

716 

respiratory capacity (Fig. 10C, D). These results are again opposite to those from rat microglia treated 

717 

with TEPP-46, where basal respiration was unaffected, while the maximal respiration and respiratory 

718 

reserve were reduced (Fig. 3H, I).  These results suggest that metabolic activation of PKM2 has a 

719 

negative effect on respiration as well as on glycolysis. In particular, the 50% increase in respiratory 

720 

reserve but not glycolytic reserve observed with 

Pkm2

 deletion is surprising, since it suggests that 

721 

when there is an emergency metabolic demand for ATP, microglia are likely to utilize mitochondrial 

722 

respiration rather than glycolysis (Marchetti et al., 2020).  We caution, however, that we cannot rule 

723 

out  the  possibility  that  the  bioenergetics  differ  based  on  the  species  difference,  namely  between 

724 

primary rat and mouse cultures. 

725 

 

726 

We next asked whether microglial mitochondria exhibited any structural changes in 5XFAD mice and 

727 

whether 

Pkm2

 deletion had any effect on them.  To address this question, we performed transmission 

728 

electron microscopy (TEM) analyses of freshly immunopurified and immediately fixed Cd11b

+

 bead-

729 

isolated microglia from both genotypes.  We found that the length, width and total area of mitochondria 

730 

were not very different between the two genotypes,  but  cristae appeared bulged in FAD:i-PKM2

MC

 

731 

mitochondria  rather  than  the  normal  thin  doublets  in  FAD:i-PKM2

M∆

  mitochondria  (Fig.  10E).  

732 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

38

 

Quantification of the cristae revealed the average cristae area in each mitochondrion was significantly 

733 

reduced as well as their length in FAD:i-PKM2

M∆

 mitochondria, although the length reduction was not 

734 

statistically  significant (Fig.  10F,  G).    Since mitochondrial  respiration  is  intimately  linked  to  cristae, 

735 

these  results  demonstrate  that  5XFAD mice  exhibit  a  defect  in mitochondrial  respiration  in  part  by 

736 

metabolic activation of PKM2, as the defect in respiration in the microglia of 5XFAD mice becomes 

737 

somewhat corrected by deleting 

Pkm2

.  A mitochondrial respiratory defect has been reported in AD 

738 

mice (Yao et al., 2009), although these data were from total brain mitochondria and not just microglia. 

739 

 

740 

In  situ  spatial  metabolomics  analyses  of  plaque-bearing  microglia  in  5XFAD  mice  suggest 

741 

increased respiratory activity upon Pkm2 deletion  

742 

We decided to address the  contribution of glycolysis and/or mitochondrial respiration on microglial 

743 

function  by  directly  measuring  microglial  metabolites  in  situ,  employing  matrix-assisted  laser 

744 

desorption/ionization  mass  spectrometry  imaging  (MALDI-MSI).   

Brain  metabolism  does  not  differ 

745 

wildly in living animals, and MALDI is capable of identifying subtle sample by sample differences over 

746 

thousands of datapoints from a brain. 

In addition, the approach obviates the need to isolate microglia 

747 

during  which  process  small  metabolites  can  be  lost

.   

With  combined  MALDI-MSI  and 

748 

immunohistochemistry,  we  analyzed  the  abundance  of  a  majority  of  glycolytic  and  TCA  cycle 

749 

metabolites among plaque-bearing or plaque-associated microglia in the cortex, hippocampus, and 

750 

subiculum of FAD:i-PKM2

MC

 and FAD:i-PKM2

M∆

 mice. The pyruvate data is shown as an example in 

751 

Fig. 11A, with a high-magnification view used for quantification after overlaying both Iba1 IHC results 

752 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

39

 

and AmyloGlo plaque staining (Fig. 11B). We quantified the abundance of pyruvate in Iba1

+

 microglia 

753 

that bear or are close to AmyloGlo

+

 plaques, and the results demonstrated a significant reduction in 

754 

FAD:i-PKM2

M∆

 mice (Fig. 11C), which was as expected, since pyruvate is the direct product of PKM2.  

755 

Also shown are all the metabolites that were measured in Fig. 11D, E, and F.  A summary of glycolytic 

756 

and  TCA  cycle  metabolites  data  is  shown  in  Fig.  12A.    While  pyruvate  and  glyceraldehyde  3-

757 

phosphate levels were altered in FAD:i-PKM2

M∆

 microglia, most glycolytic metabolites did not show 

758 

great changes.  On the other hand, citrate, cis-aconitate, and malate levels were decreased in FAD:i-

759 

PKM2

M∆

 microglia in addition to derivatives of oxaloacetate, such as aspartate and N-acetylaspartate 

760 

as well as glutamate and glutamine that are derived from 

-ketoglutarate (Fig. 12A).  These results 

761 

are in agreement with the 50% increase observed in respiratory but not glycolytic reserve with 

Pkm2

 

762 

deletion in microglia (Fig. 10).     

 

763 

 

764 

Our  hypothesis  is  that metabolic  stress  is one of the key  signals  that inhibit  homeostatic microglia 

765 

from  transitioning  into  the  DAM1  stage.  Since  our  results  suggest  that  aberrant  PKM2  activation 

766 

disrupts not only glycolytic capacity but also depletes respiratory reserve that can be drawn from when 

767 

ATP demand is high in microglia (Marchetti et al., 2020), we asked whether inducing glycolytic and/or 

768 

respiratory metabolic stress would change mRNA levels of 

ApoE

 and 

Trem2

 in rat primary microglial 

769 

cultures.  Modulating respiratory capacity alone with IACS-010759, which inhibits the complex I of the 

770 

electron transport chain or dichloroacetate (DCA), which in turn facilitates oxidative phosphorylation 

771 

at  the  expense  of  glycolysis  by  disinhibiting  pyruvate  dehydrogenase  (Bonnet  et  al.,  2007)  did  not 

772 

have any effect (Fig. 12B, C).  TEPP-46 and 2-DG, both of which have an impact on glycolysis and 

773 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

40

 

oxidative phosphorylation, however, reduced both 

ApoE

 and 

Trem2

 mRNA levels by 32-36% and 40-

774 

52%, respectively.  We interpret these results as suggesting that both proper glycolytic and respiratory 

775 

inputs are necessary to induce DAM1 stage genes in microglia.   

776 

 

777 

 

778 

DISCUSSION 

779 

Although metabolic dyshomeostasis in the brain has been recognized as an important factor in AD 

780 

pathology, it has not been clear whether this was due to a brain-wide defect in glucose metabolism 

781 

or a dysfunction in a particular cell type.  Here we report that reversing the metabolic defect in one 

782 

group of cells, microglia, led to a protective effect against AD pathology in 5XFAD mice.  Although 

783 

our results do not rule out contributions from other cell types, whose own metabolic dysfunction could 

784 

influence overall AD pathology, the reduction in AD pathology observed in 5XFAD mice with microglial 

785 

Pkm2

 deletion suggests that at a minimum, the metabolic health of microglia themselves is critically 

786 

important.  Along with recent reports that microglia are the major cell types that take up glucose, and 

787 

the microglial activation state correlates with FDG uptake in human cases  (Xiang et al., 2021), our 

788 

report  highlights  the  importance  of  maintaining  the  metabolic  heath  of  microglia  in  overall  AD 

789 

pathology.   

790 

 

791 

Here, our snRNAseq analyses have identified 6 microglial clusters, clusters 0, 1, 2, 3, 4, and 6.  This 

792 

is twice the number of clusters that were initially identified in 5XFAD mice (Keren-Shaul et al., 2017).  

793 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

41

 

The  difference  is  likely  due  to  a  larger  number  of  microglia  that  were  sequenced  in  our  study,  15-

794 

18,000,  compared  to  8,000  cells  sequenced  in  Keren-Shaul  et  al.  (Keren-Shaul  et  al.,  2017).    In 

795 

addition,  of  their  8,000  cells,  ~6,000  were  microglia,  while  13-16,000  were  microglia  in  our  study.  

796 

Perhaps due to an increase in the number of microglial cells sequenced, we have identified the distinct 

797 

cluster  6  in  our  study.  Not  only  are  about  half of  all  DAM  genes  and  AD  risk  genes  expressed in 

798 

cluster 6, but also expression is higher in cluster 6 of genes for glycolysis and TCA cycle, perhaps 

799 

behaving as a ‘metabolic cluster’.  Enrichment of metabolic genes in cluster 6 may suggest that it is 

800 

metabolically more active than other microglial clusters.  An increase in AMPK signaling in cluster 6 

801 

from Ingenuity Pathway analyses as well as actual detection of increased p-AMPK

 and p-ACC levels 

802 

in isolated microglia may be regarded as supporting this contention.   

803 

 

804 

We found that microglia in 5XFAD mice have mitochondrial alterations with enlarged cristae structure, 

805 

and 

Pkm2

 deletion at least partially corrected it.  Mitochondria are known to function as a signaling 

806 

organelle in addition to being responsible for bioenergetics, releasing metabolites of the TCA cycle 

807 

(Weinberg  et  al.,  2015).    These  metabolic  intermediates  also  function  as  signaling  molecules 

808 

influencing cell phenotypes especially in immune cells, such as succinate, which has been implicated 

809 

in pro-inflammatory macrophage responses (Mills et al., 2016).  A prevailing view was that a 

‘glycolytic 

810 

switch’ was necessary for the inflammatory state in immune cells, while oxidative phosphorylation and 

811 

fatty  acid  oxidation  accompanied  protective  anti-inflammatory  differentiation  (Vats  et  al.,  2006; 

812 

Tannahill  et  al.,  2013;  Huang  et  al.,  2016;  Mills  et  al.,  2016).    These  studies,  however,  relied  on 

813 

isolated  immune  cells  rather  than  investigating  the  bioenergetics  in  intact  tissues.    Even  with 

814 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

42

 

macrophages in tissue preparations, isolated from individual organs rather than collecting circulating 

815 

macrophages,  bioenergetic  analyses  unveiled  stark  differences  among  macrophages  in  different 

816 

organs (Wculek et al., 2023): the authors perturbed oxidative phosphorylation by deleting 

Tfam

 in an 

817 

organ-specific  manner,  and  discovered  that  oxidative  phosphorylation  rather  than  glycolysis  was 

818 

central in macrophage differentiation.  This demonstrates that immune cells are metabolically plastic, 

819 

adjusting their metabolic responses depending on need in their immediate microenvironment.  In our 

820 

study, we sought to avoid the need to isolate microglia at all by employing in situ spatial metabolomics 

821 

on intact mouse brain sections.  Our data illustrated that 

Pkm2

 deletion in microglia of 5XFAD mice 

822 

exhibited reduction in TCA intermediates, e.g., an increased TCA cycle activity (Buescher et al., 2015; 

823 

Niedenfuhr et al., 2015), while changes in the glycolytic metabolites were relatively minor. In addition, 

824 

we found that there were significant changes in some of the fatty acids, such as linoleic acid, oleic 

825 

acid,  stearic  acid,  arachidonic  acid  as  well  as  ethanolamines  (Fig.  11F),  which  we  interpret  as 

826 

suggesting  increased  demand  of  fatty  acid  oxidation  in  FAD:i-PKM2

M∆

  microglia  as  it  is  typically 

827 

associated with increased oxidative phosphorylation (Weinberg et al., 2015).   

828 

 

829 

We found that HK2 protein levels increased in 5XFAD mice compared to wild type controls and also 

830 

with 

Pkm2

  deletion,  although  the  increase  was  not  statistically  significant  in  the  latter  case.  

831 

Additionally, its mRNA expression is enriched in cluster 2 in FAD:i-PKM2

MC

 microglia, but becomes 

832 

enriched  in  cluster  6  in  FAD:i-PKM2

M∆

  microglia  (Fig.  9A,  B).    HK2  is  a  key  enzyme  in  glycolysis 

833 

converting glucose to glucose-6-phosphate.  It has been shown recently that HK2 is also expressed 

834 

highly in microglia under neuropathological conditions including AD (Hu et al., 2022).   When HK2 

835 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

43

 

was deleted with the same  Cx3cr1-CreERT2 as we have  used here, they observed  a decrease in 

836 

both glycolytic and respiratory capacity.  This is similar to our data with 

Pkm2

 deletion, which resulted 

837 

in influencing both glycolysis and respiration (Fig. 10), albeit the fact that the effect of 

Hk2

 and 

Pkm2

 

838 

deletion on glycolysis and respiration are opposite to one another, possibly due to the fact that PKM2 

839 

can  function  as  a  metabolic  regulator  as  a  tetramer  as  well  as  a  transcription  factor  in  the 

840 

monomer/dimer form.  Nonetheless, these results suggest that perturbations in the glycolytic pathway 

841 

will have an impact on not only glycolysis but also on oxidative phosphorylation. 

842 

 

843 

Very  recently,  Pan  et  al.  published  that  microglial  deletion  of 

Pkm2

  in  5XFAD  mice  resulted  in  a 

844 

reduction in amyloid pathology (Pan et al., 2022), as we are reporting here.  Our data are mutually 

845 

supportive, in that our phenotypes on AD pathology are very similar.  In the study by Pan et al., the 

846 

phenotype  was  attributed  to  a  reduction  in  lactate  production,  which  led  to  a  reduction  in  lactyl 

847 

modification in histone H4K12 and its transcriptional targets of inflammatory cytokines upon deleting 

848 

Pkm2

 in microglia.  They, however, observed a ~3 fold compensatory increase in PKM1 protein levels 

849 

in microglia upon deleting PKM2, which we did not.  The reason for the difference is not clear, but it 

850 

may be due to the amount of tamoxifen administered; Pan et al. used 4 mg, while we used 1.5 mg of 

851 

tamoxifen per mouse.  Regardless of the reason, the question of interest is how much the observed 

852 

increase  in  PKM1  contributed  to  overall  lactate  levels,  since  PKM1  is  constitutively  active  with  a 

853 

greater activity than PKM2 (Christofk et al., 2008b; Christofk et al., 2008a).   

854 

 

855 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

44

 

In  the  nervous  system,  PKM2  expression  was  shown  to  increase  under  various  pathological 

856 

conditions in areas such as the retina, Schwann cells, and also in transcriptionally induced neurons 

857 

(iNs) from iPSC (Zhang et al., 2015; Rajala et al., 2018; Babetto et al., 2020; Seki et al., 2020; Han 

858 

et  al.,  2021;  Traxler  et  al.,  2022).    These  findings  suggest  that  metabolic  imbalance  accompanies 

859 

various neuropathological conditions and PKM2 and possibly HK2 (Hu et al., 2022) are likely to play 

860 

important roles in shaping the outcome. Traxler et al. in particular illustrated that the effect of PKM2 

861 

was responsible for iNs to adopt aerobic glycolysis in culture, and attributed the metabolic effect to 

862 

nuclear  PKM2  (Traxler  et  al.,  2022).   It  is  highly likely  that  when  PKM2  expression  is  dramatically 

863 

upregulated, a portion of PKM2 translocates to the nucleus, although a majority of PKM2 appeared 

864 

in the cytoplasm and processes as we have observed in microglia.  Despite such a large increase in 

865 

PKM2, probably as tetramers in microglial cytoplasm, it is plausible that the observed effect includes 

866 

nuclear activation of PKM2.  What regulates nuclear translocation of PKM2 is likely to depend on the 

867 

affected cell types under neuropathological conditions.    

868 

 

869 

We acknowledge that the findings from our study of PKM2 in microglia from 5XFAD mice are unlikely 

870 

to  be  analogous  to  those  of  PKM2  in  microglia  from  non-FAD  background.    Our  results  attest 

871 

nonetheless to their  own  significance,  since  PKM2  exerts  its  impact  on  metabolism  after  its  levels 

872 

increase dramatically under pathological conditions.  For instance, we have shown that deleting 

Pkm2

 

873 

in  CD4

+

  T  cells  had  hardly  any  effect  until  the  mice  were  subjected  to  EAE  induction  (Seki  et  al., 

874 

2020).  Phenotypes from PKM2 activation with TEPP-46 was also observed only after perturbations 

875 

of  T  cell  differentiation  or  demyelination  injuries.    These  results  are  consistent  with  the  fact  that 

876 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

45

 

microglia  undergo  polarization  only  when  they  encounter  external  stimuli  of  both  pro-  and  anti-

877 

inflammatory cytokines (Madore et al., 2020).  In our study, the FAD phenotype was the stress stimuli.  

878 

 

879 

Johnson et al. 

reported that PKM protein levels increase in the ‘sugar metabolism’ module from AD 

880 

cases compared to control subjects (Johnson et al., 2020), although they did not make the distinction 

881 

between  PKM1  and  PKM2.  The 

‘sugar  metabolism’  module  was  enriched  with  astrocytes  and 

882 

microglia, supporting our results.  Surprisingly, the authors found that PKM protein is released into 

883 

CSF  along  with  LDHb,  and  the  amount  released  correlated  with  disease  progression,  and  with  a 

884 

decrease of amyloid 

 and an increase of tau/p-tau ratios in the CSF.  This correlation may suggest 

885 

that glucose homeostasis is also likely to contribute to tau pathology in human AD.  In addition, since 

886 

its increase in CSF is detected in asymptomatic cases,  it may be possible to develop an assay for 

887 

PKM2 as an early diagnostic for incipient AD.    

888 

 

889 

 

 

890 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

46

 

REFERENCES 

891 

 

892 

Anastasiou D et al. (2012) Pyruvate kinase M2 activators promote tetramer formation and suppress tumorigenesis. Nat 

893 

Chem Biol 8:839-847.

 

894 

Angiari S, Runtsch MC, Sutton CE, Palsson-McDermott EM, Kelly B, Rana N, Kane H, Papadopoulou G, Pearce EL, Mills 

895 

KHG, O'Neill LAJ (2020) Pharmacological Activation of Pyruvate Kinase M2 Inhibits CD4(+) T Cell Pathogenicity 

896 

and Suppresses Autoimmunity. Cell Metab 31:391-405 e398.

 

897 

Babetto E, Wong KM, Beirowski B (2020) A glycolytic shift in Schwann cells supports injured axons. Nat Neurosci 

898 

23:1215-1228.

 

899 

Baik SH, Kang S, Lee W, Choi H, Chung S, Kim JI, Mook-Jung I (2019) A Breakdown in Metabolic Reprogramming Causes 

900 

Microglia Dysfunction in Alzheimer's Disease. Cell Metab 30:493-507 e496.

 

901 

Bellenguez C et al. (2022) New insights into the genetic etiology of Alzheimer’s disease and related dementias. Nature 

902 

Genetics 54:412-436.

 

903 

Bonnet S, Archer SL, Allalunis-Turner J, Haromy A, Beaulieu C, Thompson R, Lee CT, Lopaschuk GD, Puttagunta L, Bonnet 

904 

S, Harry G, Hashimoto K, Porter CJ, Andrade MA, Thebaud B, Michelakis ED (2007) A mitochondria-K+ channel 

905 

axis is suppressed in cancer and its normalization promotes apoptosis and inhibits cancer growth. Cancer Cell 

906 

11:37-51.

 

907 

Buescher JM et al. (2015) A roadmap for interpreting (13)C metabolite labeling patterns from cells. Curr Opin Biotechnol 

908 

34:189-201.

 

909 

Chen M, David CJ, Manley JL (2012) Concentration-dependent control of pyruvate kinase M mutually exclusive splicing 

910 

by hnRNP proteins. Nat Struct Mol Biol 19:346-354.

 

911 

Christofk HR, Vander Heiden MG, Wu N, Asara JM, Cantley LC (2008a) Pyruvate kinase M2 is a phosphotyrosine-binding 

912 

protein. Nature 452:181-186.

 

913 

Christofk HR, Vander Heiden MG, Harris MH, Ramanathan A, Gerszten RE, Wei R, Fleming MD, Schreiber SL, Cantley LC 

914 

(2008b) The M2 splice isoform of pyruvate kinase is important for cancer metabolism and tumour growth. 

915 

Nature 452:230-233.

 

916 

Davalos D, Grutzendler J, Yang G, Kim JV, Zuo Y, Jung S, Littman DR, Dustin ML, Gan WB (2005) ATP mediates rapid 

917 

microglial response to local brain injury in vivo. Nat Neurosci 8:752-758.

 

918 

David CJ, Chen M, Assanah M, Canoll P, Manley JL (2010) HnRNP proteins controlled by c-Myc deregulate pyruvate 

919 

kinase mRNA splicing in cancer. Nature 463:364-368.

 

920 

Dayton TL, Jacks T, Vander Heiden MG (2016) PKM2, cancer metabolism, and the road ahead. EMBO Rep 17:1721-1730.

 

921 

de Chaumont F, Dallongeville S, Chenouard N, Herve N, Pop S, Provoost T, Meas-Yedid V, Pankajakshan P, Lecomte T, Le 

922 

Montagner Y, Lagache T, Dufour A, Olivo-Marin JC (2012) Icy: an open bioimage informatics platform for 

923 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

47

 

extended reproducible research. Nat Methods 9:690-696.

 

924 

Dzyubenko E, Rozenberg A, Hermann DM, Faissner A (2016) Colocalization of synapse marker proteins evaluated by 

925 

STED-microscopy reveals patterns of neuronal synapse distribution in vitro. J Neurosci Methods 273:149-159.

 

926 

Etienne F, Mastrolia V, Maroteaux L, Girault JA, Gervasi N, Roumier A (2019) Two-photon Imaging of Microglial 

927 

Processes' Attraction Toward ATP or Serotonin in Acute Brain Slices. J Vis Exp.

 

928 

Gao X, Wang H, Yang JJ, Liu X, Liu ZR (2012) Pyruvate kinase M2 regulates gene transcription by acting as a protein 

929 

kinase. Molecular Cell 45:598-609.

 

930 

Geltink RIK, Kyle RL, Pearce EL (2018) Unraveling the Complex Interplay Between T Cell Metabolism and Function. Annu 

931 

Rev Immunol 36:461-488.

 

932 

Gu Z, Eils R, Schlesner M (2016) Complex heatmaps reveal patterns and correlations in multidimensional genomic data. 

933 

Bioinformatics 32:2847-2849.

 

934 

Han J, Hyun J, Park J, Jung S, Oh Y, Kim Y, Ryu SH, Kim SH, Jeong EI, Jo DG, Park SH, Jung YK (2021) Aberrant role of 

935 

pyruvate kinase M2 in the regulation of gamma-secretase and memory deficits in Alzheimer's disease. Cell Rep 

936 

37:110102.

 

937 

Hao Y et al. (2021) Integrated analysis of multimodal single-cell data. Cell 184:3573-3587 e3529.

 

938 

Harrington AW, Kim JY, Yoon SO (2002) Activation of Rac GTPase by p75 is necessary for c-jun N-terminal kinase-

939 

mediated apoptosis. J Neurosci 22:156-166.

 

940 

Hitosugi T, Kang S, Vander Heiden MG, Chung TW, Elf S, Lythgoe K, Dong S, Lonial S, Wang X, Chen GZ, Xie J, Gu TL, 

941 

Polakiewicz RD, Roesel JL, Boggon TJ, Khuri FR, Gilliland DG, Cantley LC, Kaufman J, Chen J (2009) Tyrosine 

942 

phosphorylation inhibits PKM2 to promote the Warburg effect and tumor growth. Sci Signal 2:ra73.

 

943 

Hu Y, Cao K, Wang F, Wu W, Mai W, Qiu L, Luo Y, Ge WP, Sun B, Shi L, Zhu J, Zhang J, Wu Z, Xie Y, Duan S, Gao Z (2022) 

944 

Dual roles of hexokinase 2 in shaping microglial function by gating glycolytic flux and mitochondrial activity. Nat 

945 

Metab 4:1756-1774.

 

946 

Huang SC, Smith AM, Everts B, Colonna M, Pearce EL, Schilling JD, Pearce EJ (2016) Metabolic Reprogramming Mediated 

947 

by the mTORC2-IRF4 Signaling Axis Is Essential for Macrophage Alternative Activation. Immunity 45:817-830.

 

948 

Huang Y, Happonen KE, Burrola PG, O'Connor C, Hah N, Huang L, Nimmerjahn A, Lemke G (2021) Microglia use TAM 

949 

receptors to detect and engulf amyloid beta plaques. Nat Immunol 22:586-594.

 

950 

Israelsen WJ et al. (2013) PKM2 isoform-specific deletion reveals a differential requirement for pyruvate kinase in tumor 

951 

cells. Cell 155:397-409.

 

952 

Jansen IE et al. (2019) Genome-wide meta-analysis identifies new loci and functional pathways influencing Alzheimer's 

953 

disease risk. Nat Genet 51:404-413.

 

954 

Jin S, Guerrero-Juarez CF, Zhang L, Chang I, Ramos R, Kuan CH, Myung P, Plikus MV, Nie Q (2021) Inference and analysis 

955 

of cell-cell communication using CellChat. Nat Commun 12:1088.

 

956 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

48

 

Johnson ECB et al. (2020) Large-scale proteomic analysis of Alzheimer's disease brain and cerebrospinal fluid reveals 

957 

early changes in energy metabolism associated with microglia and astrocyte activation. Nat Med 26:769-780.

 

958 

Jung S, Aliberti J, Graemmel P, Sunshine MJ, Kreutzberg GW, Sher A, Littman DR (2000) Analysis of fractalkine receptor 

959 

CX(3)CR1 function by targeted deletion and green fluorescent protein reporter gene insertion. Mol Cell Biol 

960 

20:4106-4114.

 

961 

Kennedy AM, Frackowiak RS, Newman SK, Bloomfield PM, Seaward J, Roques P, Lewington G, Cunningham VJ, Rossor 

962 

MN (1995) Deficits in cerebral glucose metabolism demonstrated by positron emission tomography in 

963 

individuals at risk of familial Alzheimer's disease. Neurosci Lett 186:17-20.

 

964 

Keren-Shaul H, Spinrad A, Weiner A, Matcovitch-Natan O, Dvir-Szternfeld R, Ulland TK, David E, Baruch K, Lara-Astaiso D, 

965 

Toth B, Itzkovitz S, Colonna M, Schwartz M, Amit I (2017) A Unique Microglia Type Associated with Restricting 

966 

Development of Alzheimer's Disease. Cell 169:1276-1290 e1217.

 

967 

Kleinberger G, Brendel M, Mracsko E, Wefers B, Groeneweg L, Xiang X, Focke C, Deussing M, Suarez-Calvet M, Mazaheri 

968 

F, Parhizkar S, Pettkus N, Wurst W, Feederle R, Bartenstein P, Mueggler T, Arzberger T, Knuesel I, Rominger A, 

969 

Haass C (2017) The FTD-like syndrome causing TREM2 T66M mutation impairs microglia function, brain 

970 

perfusion, and glucose metabolism. EMBO J 36:1837-1853.

 

971 

Kramer A, Green J, Pollard J, Jr., Tugendreich S (2014) Causal analysis approaches in Ingenuity Pathway Analysis. 

972 

Bioinformatics 30:523-530.

 

973 

Kunkle BW et al. (2019) Genetic meta-analysis of diagnosed Alzheimer's disease identifies new risk loci and implicates 

974 

Abeta, tau, immunity and lipid processing. Nat Genet 51:414-430.

 

975 

Lee JK, Tansey MG (2013) Microglia isolation from adult mouse brain. Methods Mol Biol 1041:17-23.

 

976 

Li X, Zhou HP, Peng J, Li Q, Mei M (2023) Microglia PKM2 Mediates Neuroinflammation and Neuron Loss in Mice 

977 

Epilepsy through the Astrocyte C3-Neuron C3R Signaling Pathway. Brain Sciences 13:262.

 

978 

Lunt SY et al. (2015) Pyruvate kinase isoform expression alters nucleotide synthesis to impact cell proliferation. Mol Cell 

979 

57:95-107.

 

980 

Madore C, Yin Z, Leibowitz J, Butovsky O (2020) Microglia, Lifestyle Stress, and Neurodegeneration. Immunity 52:222-

981 

240.

 

982 

Marchetti P, Fovez Q, Germain N, Khamari R, Kluza J (2020) Mitochondrial spare respiratory capacity: Mechanisms, 

983 

regulation, and significance in non-transformed and cancer cells. FASEB J 34:13106-13124.

 

984 

Mazurek S (2011) Pyruvate kinase type M2: a key regulator of the metabolic budget system in tumor cells. Int J Biochem 

985 

Cell Biol 43:969-980.

 

986 

Mills EL, Kelly B, Logan A, Costa ASH, Varma M, Bryant CE, Tourlomousis P, Dabritz JHM, Gottlieb E, Latorre I, Corr SC, 

987 

McManus G, Ryan D, Jacobs HT, Szibor M, Xavier RJ, Braun T, Frezza C, Murphy MP, O'Neill LA (2016) Succinate 

988 

Dehydrogenase Supports Metabolic Repurposing of Mitochondria to Drive Inflammatory Macrophages. Cell 

989 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

49

 

167:457-470 e413.

 

990 

Niedenfuhr S, Wiechert W, Noh K (2015) How to measure metabolic fluxes: a taxonomic guide for (13)C fluxomics. Curr 

991 

Opin Biotechnol 34:82-90.

 

992 

Oakley H, Cole SL, Logan S, Maus E, Shao P, Craft J, Guillozet-Bongaarts A, Ohno M, Disterhoft J, Van Eldik L, Berry R, 

993 

Vassar R (2006) Intraneuronal beta-amyloid aggregates, neurodegeneration, and neuron loss in transgenic mice 

994 

with five familial Alzheimer's disease mutations: potential factors in amyloid plaque formation. J Neurosci 

995 

26:10129-10140.

 

996 

Palsson-McDermott EM, Curtis AM, Goel G, Lauterbach MAR, Sheedy FJ, Gleeson LE, van den Bosch MWM, Quinn SR, 

997 

Domingo-Fernandez R, Johnston DGW, Jiang JK, Israelsen WJ, Keane J, Thomas C, Clish C, Vander Heiden M, 

998 

Xavier RJ, O'Neill LAJ (2015) Pyruvate Kinase M2 Regulates Hif-1alpha Activity and IL-1beta Induction and Is a 

999 

Critical Determinant of the Warburg Effect in LPS-Activated Macrophages. Cell Metab 21:347.

 

1000 

Pan RY, He L, Zhang J, Liu X, Liao Y, Gao J, Liao Y, Yan Y, Li Q, Zhou X, Cheng J, Xing Q, Guan F, Zhang J, Sun L, Yuan Z 

1001 

(2022) Positive feedback regulation of microglial glucose metabolism by histone H4 lysine 12 lactylation in 

1002 

Alzheimer's disease. Cell Metab.

 

1003 

Parhizkar S et al. (2023) Sleep deprivation exacerbates microglial reactivity and Abeta deposition in a TREM2-dependent 

1004 

manner in mice. Sci Transl Med 15:eade6285.

 

1005 

Parhizkar S et al. (2019) Loss of TREM2 function increases amyloid seeding but reduces plaque-associated ApoE. Nat 

1006 

Neurosci 22:191-204.

 

1007 

Parkhurst CN, Yang G, Ninan I, Savas JN, Yates JR, 3rd, Lafaille JJ, Hempstead BL, Littman DR, Gan WB (2013) Microglia 

1008 

promote learning-dependent synapse formation through brain-derived neurotrophic factor. Cell 155:1596-

1009 

1609.

 

1010 

Prakasam G, Singh RK, Iqbal MA, Saini SK, Tiku AB, Bamezai RNK (2017) Pyruvate kinase M knockdown-induced signaling 

1011 

via AMP-activated protein kinase promotes mitochondrial biogenesis, autophagy, and cancer cell survival. J 

1012 

Biological Chemistry 292:15561-15576.

 

1013 

Pucino V, Certo M, Bulusu V, Cucchi D, Goldmann K, Pontarini E, Haas R, Smithe J, Headland SE, Blighe K, Ruscica M, 

1014 

Humby F, Lewis MJ, Kamphorst JJ, Bombardieri M, Pitzalis C, Mauro C (2019) Lactate Buildup at the Site of 

1015 

Chronic Inflammation Promotes Disease by Inducing CD4+ TCell Metabolic Rewiring. Cell Metabolism 30:1055-

1016 

1074.

 

1017 

Rajala A, Wang Y, Soni K, Rajala RVS (2018) Pyruvate kinase M2 isoform deletion in cone photoreceptors results in age-

1018 

related cone degeneration. Cell Death Dis 9:737.

 

1019 

Reiman EM, Caselli RJ, Yun LS, Chen K, Bandy D, Minoshima S, Thibodeau SN, Osborne D (1996) Preclinical evidence of 

1020 

Alzheimer's disease in persons homozygous for the epsilon 4 allele for apolipoprotein E. N Engl J Med 334:752-

1021 

758.

 

1022 

Romero-Ramirez L, Garcia-Rama C, Wu S, Mey J (2022) Bile acids attenuate PKM2 pathway activation in 

1023 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

50

 

proinflammatory microglia. Scientific Reports 12:1459.

 

1024 

Schwartzentruber J, Cooper S, Liu JZ, Barrio-Hernandez I, Bello E, Kumasaka N, Young AMH, Franklin RJM, Johnson T, 

1025 

Estrada K, Gaffney DJ, Beltrao P, Bassett A (2021) Genome-wide meta-analysis, fine-mapping and integrative 

1026 

prioritization implicate new Alzheimer's disease risk genes. Nat Genet 53:392-402.

 

1027 

Seki SM, Posyniak K, McCloud R, Rosen DA, Fernandez-Castaneda A, Beiter RM, Serbulea V, Nanziri SC, Hayes N, Spivey 

1028 

C, Gemta L, Bullock TNJ, Hsu KL, Gaultier A (2020) Modulation of PKM activity affects the differentiation of 

1029 

TH17 cells. Sci Signal 13.

 

1030 

Stanley M, Macauley SL, Holtzman DM (2016) Changes in insulin and insulin signaling in Alzheimer's disease: cause or 

1031 

consequence? J Exp Med 213:1375-1385.

 

1032 

Tannahill GM et al. (2013) Succinate is an inflammatory signal that induces IL-1beta through HIF-1alpha. Nature 

1033 

496:238-242.

 

1034 

Traxler L, Herdy JR, Stefanoni D, Eichhorner S, Pelucchi S, Szücs A, Santagostino A, Kim Y, Agarwal RK, Schlachetzki JCM, 

1035 

Glass CK, Lagerwall J, Galasko D, Gage FH, D'Alessandro A, Mertens J (2022) Warburg-like metabolic 

1036 

transformation underlies neuronal degeneration in sporadic Alzheimer's disease. Cell Metab 34:1248-

1037 

1263.e1246.

 

1038 

Ulland TK, Song WM, Huang SC, Ulrich JD, Sergushichev A, Beatty WL, Loboda AA, Zhou Y, Cairns NJ, Kambal A, 

1039 

Loginicheva E, Gilfillan S, Cella M, Virgin HW, Unanue ER, Wang Y, Artyomov MN, Holtzman DM, Colonna M 

1040 

(2017) TREM2 Maintains Microglial Metabolic Fitness in Alzheimer's Disease. Cell 170:649-663 e613.

 

1041 

Van den Bossche J, O'Neill LA, Menon D (2017) Macrophage Immunometabolism: Where Are We (Going)? Trends 

1042 

Immunol 38:395-406.

 

1043 

Vander Heiden MG, Cantley LC, Thompson CB (2009) Understanding the Warburg effect: the metabolic requirements of 

1044 

cell proliferation. Science 324:1029-1033.

 

1045 

Vander Heiden MG, Lunt SY, Dayton TL, Fiske BP, Israelsen WJ, Mattaini KR, Vokes NI, Stephanopoulos G, Cantley LC, 

1046 

Metallo CM, Locasale JW (2011) Metabolic pathway alterations that support cell proliferation. Cold Spring Harb 

1047 

Symp Quant Biol 76:325-334.

 

1048 

Vats D, Mukundan L, Odegaard JI, Zhang L, Smith KL, Morel CR, Wagner RA, Greaves DR, Murray PJ, Chawla A (2006) 

1049 

Oxidative metabolism and PGC-1beta attenuate macrophage-mediated inflammation. Cell Metab 4:13-24.

 

1050 

Wang F, Zhang S, Vuckovic I, Jeon R, Lerman A, Folmes CD, Dzeja PP, Herrmann J (2018) Glycolytic Stimulation Is Not a 

1051 

Requirement for M2 Macrophage Differentiation. Cell Metab 28:463-475 e464.

 

1052 

Wang Y, Cella M, Mallinson K, Ulrich JD, Young KL, Robinette ML, Gilfillan S, Krishnan GM, Sudhakar S, Zinselmeyer BH, 

1053 

Holtzman DM, Cirrito JR, Colonna M (2015) TREM2 lipid sensing sustains the microglial response in an 

1054 

Alzheimer's disease model. Cell 160:1061-1071.

 

1055 

Wculek SK, Heras-Murillo I, Mastrangelo A, Mananes D, Galan M, Miguel V, Curtabbi A, Barbas C, Chandel NS, Enriquez 

1056 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

51

 

JA, Lamas S, Sancho D (2023) Oxidative phosphorylation selectively orchestrates tissue macrophage 

1057 

homeostasis. Immunity 56:516-530 e519.

 

1058 

Weinberg SE, Sena LA, Chandel NS (2015) Mitochondria in the regulation of innate and adaptive immunity. Immunity 

1059 

42:406-417.

 

1060 

Wick AN, Drury DR, Nakada HI, Wolfe JB (1957) Localization of the primary metabolic block produced by 2-

1061 

deoxyglucose. J Biol Chem 224:963-969.

 

1062 

Wightman DP et al. (2021) A genome-wide association study with 1,126,563 individuals identifies new risk loci for 

1063 

Alzheimer's disease. Nat Genet 53:1276-1282.

 

1064 

Xiang X et al. (2021) Microglial activation states drive glucose uptake and FDG-PET alterations in neurodegenerative 

1065 

diseases. Sci Transl Med 13:eabe5640.

 

1066 

Yang W, Xia Y, Ji H, Zheng Y, Liang J, Huang W, Gao X, Aldape K, Lu Z (2011) Nuclear PKM2 regulates b-catenin 

1067 

transactivation upon EGFR activation. Nature 480:118-142.

 

1068 

Yao J, Irwin RW, Zhao L, Nilsen J, Hamilton RT, Brinton RD (2009) Mitochondrial bioenergetic deficit precedes Alzheimer's 

1069 

pathology in female mouse model of Alzheimer's disease. Proc Natl Acad Sci U S A 106:14670-14675.

 

1070 

Yoon So, Park, D.J., Ryu, J.C., Ozer, H.G., Tep, C., Shin, Y.J., Lim, T.H., Pastorino, L., Kunwar, A.J., Walton, J.C., Nagahara, 

1071 

A.H., Lu, K.P., Nelson, R.J., Tuszynski, M.H., Huan, K. (2012) JNK3 perpetuates metabolic stress induced by Abeta 

1072 

peptides. Neuron 75:824.

 

1073 

Zhang J, Feng G, Bao G, Xu G, Sun Y, Li W, Wang L, Chen J, Jin H, Cui Z (2015) Nuclear translocation of PKM2 modulates 

1074 

astrocyte proliferation via p27 and -catenin pathway after spinal cord injury. Cell Cycle 14:2609-2618.

 

1075 

Zheng GX et al. (2017) Massively parallel digital transcriptional profiling of single cells. Nat Commun 8:14049.

 

1076 

Zhou Y et al. (2020) Human and mouse single-nucleus transcriptomics reveal TREM2-dependent and TREM2-

1077 

independent cellular responses in Alzheimer's disease. Nat Med 26:131-142.

 

1078 

 

1079 

 

 

1080 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

52

 

FIGURE LEGENDS 

1081 

Figure 1. Aberrant activation of PKM2 in Alzheimer’s disease.

 

(A)

 Changes  in  glycolytic  gene 

1082 

expression  in  the  brains  of  5XFAD  mice.  HK1,  hexokinase  1;  HK2,  hexokinase  2;  PFKP, 

1083 

phosphofructokinase,  platelet;  PFKFB3,  6-phosphofructo-2-kinase/fructose-2,6-biphosphatase  3; 

1084 

GAPDH,  glyceraldehyde-3-phosphate  dehydrogenase;  LDHA,  lactate  dehydrogenase  a;  PDH, 

1085 

pyruvate dehydrogenase; PDHK1, pyruvate dehydrogenase

 

kinase 1.

 (B)

 Quantification of the blots 

1086 

in (A) (n=5, all M mice for each genotype). 

(C)

 PKM2 Western blot of protein lysates obtained from 6-

1087 

month-old 5XFAD mice following DSS crosslinking. Control blots of PKM1 and ERK are also shown 

1088 

along with total PKM2 without crosslinking. 

(D)

 Quantification of total, active tetrameric, and inactive 

1089 

monomeric  PKM2  in  (C)  (5F  mice  for  each  genotype).   

(E)

  PKM2  Western  blot  of  protein  lysates 

1090 

obtained from frontal cortices of human AD and control subjects following DSS crosslinking. Control 

1091 

blots of PKM1 and ERK are also shown along with total PKM2 without crosslinking. 

(F)

 Quantification 

1092 

of total, active tetrameric, and inactive monomeric PKM2 in (E).  (n=7, 4M + 3F, control and n=21, 

1093 

10M + 11F, human AD subjects).  

Data are expressed as mean ± SEM. Unpaired Student’s 

t

-tests 

1094 

were used in (B, D and F). 

1095 

 

1096 

Figure 2. Upregulation of PKM2 in microglia in 5XFAD mice.

 

(A)

 Representative images showing 

1097 

PKM2  expression  in  wild  type  and  5XFAD  mice  at  4-5  months.  PKM2  expression  is  selectively 

1098 

increased among Iba1

+

 microglia that associate with plaques, and not in GFAP

+

 astrocytes in 5XFAD 

1099 

mice. Note that pink arrows mark GFAP

+

, while white arrows mark Iba1

+

 cells. (n=5, 2M + 3F, for WT 

1100 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

53

 

and n=5, 3M + 2F, for 5XFAD mice) 

(B)

 Imaris 3D reconstruction images showing colocalization of 

1101 

PKM2  with  Iba1

+

  microglia  but  not  GFAP

+

  astrocytes  in  5XFAD  mice. 

(C)

  Representative  images 

1102 

showing PKM2 expression colocalizes completely with TREM2 expression near the plaque in 5XFAD 

1103 

mice at 6-7 months. White arrows indicate cells that are positive for both PKM2 and TREM2. (n=3, 

1104 

2M + 1F) 

(D)

 Imaris 3D reconstruction images showing colocalization of TREM2 with PKM2 and Iba1. 

 

1105 

 

1106 

Figure  3.  Pharmacological  PKM2  activation  impaired  microglial  recruitment  as  well  as 

1107 

glycolysis  and  oxidative  phosphorylation. (A)

  A  diagram  of  experimental time  line for  2-photon 

1108 

imaging study in B, C, and D. 

(B)

 Representative images of in vivo 2-photon imaging of Cx3cr1-GFP

+

 

1109 

microglia after laser-induced injury with and without TEPP-46 at 50 mg/Kg daily for 4 days. Smaller 

1110 

circles  depict the  laser-injury  epicenter,  while  larger  images  represent the  region  of  interest  (ROI), 

1111 

from which quantification of microglial recruitment was calculated for 1 hr. 

(C)

 Quantification of GFP 

1112 

signals in the ROI in (B) (n=4, all M, for each treatment group). 

(D)

 Lysates from isolated microglia 

1113 

from the vehicle or TEPP-46 treated mice were subjected to DSS crosslinking and followed by PKM2 

1114 

Western blotting (n=3, 2M + 1F, for vehicle and n=3, 2M + 1F, for TEPP-46 group). 

(E)

 The effect of 

1115 

TEPP-46  on  extracellular  acidification  rate  (ECAR)  in  primary  rat  microglial  cultures.  Rat  primary 

1116 

microglia were incubated for 4 hrs with of 75 

M TEPP-46 prior to ECAR and OCR measurements. 

1117 

(F)

 Quantification of the changes in glycolysis, glycolytic capacity, and glycolytic reserve by TEPP-46 

1118 

in (E) (n=3-5 replicates for each treatment with n=4 independent experiments). 

(G)

 Changes in lactate 

1119 

concentration in the media from rat microglial cultures treated for 1 hr with vehicle and TEPP-46 (n=3 

1120 

replicates  for  each  treatment). 

(H)

  The  effect  of  TEPP-46  on  oxygen  consumption  rate  (OCR)  in 

1121 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

54

 

primary rat microglial cultures. 

(I)

 Quantification of the changes in basal and maximal respiration, and 

1122 

spare  respiratory  capacity  by  TEPP-46  in  (H)  (n=3-5  replicates  for  each  treatment  with  n=5 

1123 

independent experiments). 

Data are expressed as mean ± SEM. Paired Student’s 

t

-test was used in 

1124 

(C)

, and unpaired Student’s 

t

-test was used in (F, G, I). 

(J)

 TEPP-46 induced PKM2 tetramers in rat 

1125 

microglia at concentrations ranging from 10 to 100 

M.

 

1126 

 

1127 

Figure 4. Selective deletion of Pkm2 

in microglia led to reduction in Alzheimer’s pathology in 

1128 

5XFAD mice. (A)

 Western blotting of lysates from microglia isolated from FAD:i-PKM2

MC

 and FAD:i-

1129 

PKM2

M∆

 mice at 4-5 months of age. 

(B)

 Quantification of PKM1 and PKM2 levels in (A) (n=3, 2M+1F, 

1130 

for  FAD:i-PKM2

MC

  and  n=3,  1M+2F, for  FAD:i-PKM2

M∆

  mice). 

(C)

  Representative  images  showing 

1131 

PKM2 expression lost selectively in microglia (white arrows) and not in astrocytes (pink arrows). (n=3, 

1132 

3M, for FAD:i-PKM2

MC

 and n=3, 2M+1F, for FAD:i-PKM2

M∆

 mice).  

(D)

 Western blotting of both soluble 

1133 

and insoluble 

amyloid β peptides from FAD:i-PKM2

MC

 and FAD:i-PKM2

M∆

 mice at 4-5 months of age. 

1134 

(E)

 ELISA analysis of both soluble and insoluble A

42 levels from FAD:i-PKM2

MC

 and FAD:i-PKM2

M∆

 

1135 

mice at 4-5 months of age (n=8, 4M + 4F, for FAD:i-PKM2

MC

 and n=7, 2M + 5F, for FAD:i-PKM2

 

1136 

mice). 

(F)

 Representative images of plaques 

stained for Aβ peptides in the cortex of FAD:i-PKM2

MC

 

1137 

and FAD:i-PKM2

M∆

 mice at 4-5 months of age. 

(G)

 Quantification of the relative number of plaques in 

1138 

FAD:i-PKM2

MC

 and FAD:i-PKM2

M∆

 mice at 4-5 months of age (n=8, 5M + 3F, for FAD:i-PKM2

MC

 and 

1139 

n=6, 2M + 4F, for FAD:i-PKM2

 mice).   

(H)

 Average size distribution of plaques in FAD:i-PKM2

MC

 

1140 

and FAD:i-PKM2

M∆

 mice at 4-5 months of age (n=6, 5M + 1F, for FAD:i-PKM2

MC

 and n=6, 2M + 4F, 

1141 

for FAD:i-PKM2

 mice).  

(I)

 Representative images of active synaptic puncta that were stained with 

1142 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

55

 

vGlut1 and PSD95 in the hippocampus of FAD:i-PKM2

MC

 and FAD:i-PKM2

M∆

 mice at 4-5 months of 

1143 

age. Arrows indicate active synaptic puncta with overlapping or closely juxtaposed vGlut1 and PSD95 

1144 

immunoreactivity. 

(J)

 Quantification of active synaptic puncta from FAD:i-PKM2

MC

 and FAD:i-PKM2

M∆

 

1145 

mice at 4-5 months of age (n=6, 5M + 1F, for FAD:i-PKM2

MC

 and n=6, 2M + 4F, for FAD:i-PKM2

 

1146 

mice).  

Data are expressed as mean ± SEM. Unpaired Student’s 

t

-tests were used in (

B

E, G,

 

H

J

). 

 

1147 

 

1148 

Figure  5.  Selective  deletion  of  Pkm2  in  microglia  of  5XFAD  mice  leads  to  increase  in  DAM 

1149 

genes. (A) 

Uniform Manifold Approximation and Projection (UMAP) of snRNAseq data from CD11b

+

 

1150 

microglia purified from 4-month-old FAD:i-PKM2

MC

 and FAD:i-PKM2

M∆

 mice (n=3, 2M + 1F, for each 

1151 

genotype). Microglia are represented in 6 clusters, designated 0, 1, 2, 3, 4, and 6.  Based on gene 

1152 

expression profiles, clusters of 0, 1, and 3 represent homeostatic microglia, while clusters 4 and 6 

1153 

represent disease-associated microglia. Cluster 2 comprises intermediate microglia. 

Extended Data, 

1154 

Figure 5-1.

  Metadata of genes identified by snRNAseq with cluster designation.

 (B)

 Proportion of 

1155 

cells identified in each cluster. 

(C) 

Violin plot showing 

Pkm

 gene expression in each cluster. 

Extended 

1156 

Data, Figure 5-2.

  List of differentially expressed genes between two genotypes with fold changes.  

1157 

(D)

 Volcano plots of selected genes whose log

fold change is either greater than +0.20 or less than 

1158 

-0.20 among microglial clusters (n=484 genes). Genes on the right of the volcano plot represent genes 

1159 

whose expression is increased in FAD:i-PKM2

M∆

 mice compared to FAD:i-PKM2

MC

 mice. DAM genes 

1160 

are indicated with pink arrows. 

Extended Data, Figure 5-3.  

List of genes utilized for a Volcano plot. 

1161 

(E)

 UMAP analysis of 

ApoE

 and 

TREM2

 genes in FAD:i-PKM2

MC

 and FAD:i-PKM2

M∆

 mice. Clusters 

1162 

of  4  and  6  are  indicated. 

(F)

  Western  blots  of  APOE  and  TREM2  proteins  from  CD11b

+

  microglia 

1163 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

56

 

isolated from 4-month-old FAD:i-PKM2

MC

 and FAD:i-PKM2

M∆

 mice. 

(G)

 Quantification of the blots in 

1164 

(F) (n=3, 2M + 1F for FAD:i-PKM2

MC

 and n=3, 1M + 2F for FAD:i-PKM2

M∆

 mice).

 

Data are expressed 

1165 

as mean ± SEM. Unpaired Student’s 

t

-tests were used om (G). 

 

1166 

 

1167 

Figure  6.  Selective  microglia  deletion  of  Pkm2  in  5XFAD  mice  leads  to  activation  of  DAM 

1168 

phenotype  in  microglia.  (A)

  Heatmap  analysis  of  DAM  genes  in  all  microglial  clusters  plus  the 

1169 

macrophage cluster 5 in FAD:i-PKM2

MC

 mice. 

(B)

 Heatmap analysis of DAM genes in clusters 2, 4, 

1170 

and 6 in both genotypes.

 (C)

 Heatmap analysis of AD risk genes in all microglial clusters in FAD:i-

1171 

PKM2

MC

 mice. 

(D)

 Heatmap analysis of AD risk genes in clusters 2, 4, and 6 in both genotypes.

 (E) 

1172 

Pie diagrams of the proportion of homeostatic and DAM genes expressed in microglial clusters of 2, 

1173 

4,  and  6  from  both  genotypes. 

(F)

  Pie  diagrams  showing  the  proportion  of  homeostatic  and  DAM 

1174 

genes  whose  expression  levels  were  changed  upon 

Pkm2

  deletion  in  clusters  of  2,  4,  and  6. 

(G)

 

1175 

qPCR analyses of selected DAM and AD risk genes which were identified to show changes in mRNA 

1176 

levels (n=3, 2M + 1F for each genotype ). 

Data are expressed as mean ± SEM. Unpaired Student’s 

1177 

t

-test was used in (G). 

1178 

 

1179 

Figure 7. The cluster 6 is distinct from other clusters. (A)

 Ingenuity Pathway analysis of the top 

1180 

15 canonical pathways of clusters 0 to 6 in FAD:i-PKM2

MC

 and FAD:i-PKM2

M∆

 mice. 

(B)

 Western blots 

1181 

of  p-

AMPKα,  AMPKα,  p-ACC,  and  ACC  from  CD11b

+

  microglia  isolated  from  4-month-old  FAD:i-

1182 

PKM2

MC

  and  FAD:i-PKM2

M∆

  mice. 

(C)

  Quantification  of  the  blots  in  (B)  (n=3,  1M  +  2F  for  FAD:i-

1183 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

57

 

PKM2

MC

 and n=3, 2M + 1F for FAD:i-PKM2

M∆

 mice). Data are expressed as mean ± SEM. Unpaired 

1184 

Student’s 

t

-test was used in (C). 

1185 

 

1186 

Figure 8. The cluster 6 is enriched with phagocytic genes.

  

(A) 

Identification of ligand-receptor 

1187 

pairs whose interactions were significantly different between the genotypes. Note that genes in black 

1188 

were  not  significant,  while those  in blue  and red  were  significantly  enriched  in  FAD:i-PKM2

MC

  and 

1189 

FAD:i-PKM2

M∆

  mice,  respectively. 

(B)

  UMAP  analysis  of 

Axl

  gene  in  FAD:i-PKM2

MC

  and  FAD:i-

1190 

PKM2

M∆

 mice. Clusters of 4 and 6 are indicated. 

(C) 

Violin plot showing 

Axl

 gene expression in each 

1191 

cluster. 

(D)

  Comparison  of Axl  signaling  between  FAD:i-PKM2

MC

  and  FAD:i-PKM2

M∆

  mice.  Edge 

1192 

colors are consistent with the sources of sender and the thicker edge lines indicate stronger signals. 

1193 

(E)

  Representative  images  showing  the  colocalization  of  Axl  and  PKM2  in  plaque-associated 

1194 

microglia in 5XFAD mice (left). Imaris 3D reconstruction image is also shown (right). 

(F)

 Western blots 

1195 

of p-Axl and Axl from CD11b

+

 microglia isolated from FAD:i-PKM2

MC

 and FAD:i-PKM2

M∆

 mice. 

(G)

 

1196 

Quantification of the p-Axl/Axl levels in (F) (n=3, 1M + 2F for FAD:i-PKM2

MC

 and n=3, 2M + 1F for 

1197 

FAD:i-PKM2

M∆

 mice). Data are expressed as mean ± SEM. Unpaired Student’s 

t

-test was used.

 (H)

 

1198 

Expression  levels  of  genes  involved  in  phagocytosis  in

 

microglial/macrophage  clusters  in  FAD:i-

1199 

PKM2

MC

 mice. 

1200 

 

1201 

Figure 9. Pkm2 deletion in microglia resulted in increase in glycolytic and respiratory genes. 

1202 

(A)

 Heatmap analyses of genes for glycolysis in all microglial clusters plus the macrophage cluster 5 

1203 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

58

 

in FAD:i-PKM2

MC

 mice.  

(B)

 Heatmap analyses of genes for glycolysis in clusters 2, 4, and 6 in both 

1204 

genotypes.   

(C)

  Heatmap  analyses  of  genes  for  TCA  cycle  in  all  microglial  clusters  plus  the 

1205 

macrophage  cluster  5  in  FAD:i-PKM2

MC

  mice.   

(D)

  Heatmap  analyses  of  genes  for  TCA  cycle  in 

1206 

clusters 2, 4, and 6 in both genotypes.  

(E)

 Western blots of selected glycolytic enzymes from CD11b

+

 

1207 

microglia  isolated  from  4-month-old  FAD:i-PKM2

MC

  and  FAD:i-PKM2

M∆

  mice.  HK1,  hexokinase  1; 

1208 

HK2,  hexokinase  2;  PFKFB3,  6-phosphofructo-2-kinase/fructose-2,6-biphosphatase  3;  PFKP, 

1209 

phosphofructokinase, platelet; GAPDH, glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase; LDHa, lactate 

1210 

dehydrogenase a; PDH, pyruvate dehydrogenase.

 (F)

 Quantification of the blots in (E) (n=3, 1M + 2F 

1211 

for  FAD:i-PKM2

MC

  and  n=3,  2M  +  1F  for  FAD:i-PKM2

M∆

  mice).

 

 

(G)

  Western  blots  of  CS,  citrate 

1212 

synthase  and  MDH2,  malate  dehydrogenase  2  from  CD11b

+

  microglia  isolated  from  4-month-old 

1213 

FAD:i-PKM2

MC

 and FAD:i-PKM2

M∆

 mice. 

(H)

 Quantification of the blots in (G) (n=3, 1M + 2F for FAD:i-

1214 

PKM2

MC

 and n=3, 2M + 1F for FAD:i-PKM2

M∆

 mice). 

Unpaired Student’s 

t

-test was used in (

and

 H

). 

1215 

 

1216 

Figure  10.  Pkm2  deletion  in  microglia  resulted  in  increase  in  glycolytic  and  respiratory 

1217 

capacity.    (A)

  A  representative  graph  showing  the  measurement  of  ECAR  in  cultured  CD11b

+

 

1218 

microglia isolated from 6-week-old FAD:i-PKM2

MC

 and FAD:i-PKM2

M∆

 mice.  

(B)

 Quantification of the 

1219 

changes  in  glycolysis,  glycolytic  capacity,  and  glycolytic  reserve  by 

Pkm2

  deletion  from  (A)  (n=5 

1220 

replicates for each genotype in n=2 independent experiments). 

(C)

 A representative graph showing 

1221 

the measurement of OCR in cultured CD11b

+

 microglia isolated from 6-week-old FAD:i-PKM2

MC

 and 

1222 

FAD:i-PKM2

M∆

 mice. 

(D)

 Quantification of the changes in basal and maximal respiration, and spare 

1223 

respiratory capacity by 

Pkm2

 deletion from (C) (n=5 replicates for each genotype in n=2 independent 

1224 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

59

 

experiments). 

Data  are  expressed  as  mean  ±  SEM.  Unpaired  Student’s 

t

-test  was  used.

  (E)

 

1225 

Representative  transmission  electron  microscopy  (TEM)  images  showing  the  structure  of 

1226 

mitochondria  in  CD11b

+

  microglia  freshly  isolated  from  4-month-old  FAD:i-PKM2

MC

  and  FAD:i-

1227 

PKM2

M∆

 mice. 

(F) 

Violin plot showing quantification of the average cristae area per mitochondria in 

1228 

(E). 

(G)

 Violin plot showing quantification of the average cristae length per mitochondria in (E). Data 

1229 

are expressed as mean ± SEM. Unpaired Student’s 

t

-test was used in (B, D, F, G).

 

 

1230 

 

1231 

Figure  11.  In  situ  spatial  metabolomics  assays  to  measure  metabolite  abundance  among 

1232 

microglia  that  are  associated  with  plaques.  (A)

  Representative  matrix-assisted  laser 

1233 

desorption/ionization mass spectrometry (MALDI-MSI) images showing the abundance of pyruvate in 

1234 

the sagittal brain sections of FAD:i-PKM2

MC

 and FAD:i-PKM2

M∆

 mice at 4-5 months of age.

 

(n=3, all 

1235 

F, for each genotype).

 (B)

 Representative MALDI-MSI images showing the overlay of the abundance 

1236 

of  pyruvate  among  Iba1

+

,  AmyloGlo

+

  plaque-associated  microglia  in  the  hippocampus  of  FAD:i-

1237 

PKM2

MC

 and FAD:i-PKM2

M∆

 mice. 

(C)

 Violin plot showing quantification of the relative abundance of 

1238 

pyruvate  in  Iba1

+

,  AmyloGlo

+

  plaque-associated  microglia  in  selected  cortex,  hippocampus,  and 

1239 

subiculum regions. 

(D-F) 

Violin plots showing quantification of the relative abundance of metabolites 

1240 

involved in glycolysis and TCA cycle 

(D)

, in nucleic acid metabolism 

(E)

, and in lipid metabolism as 

1241 

well as and other metabolites 

(F)

. Data are expressed as mean ± SEM. Unpaired two-

tailed Student’s 

1242 

t

-tests were used (B, D, E, F).   

1243 

 

1244 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

 

60

 

Figure  12.  In  situ  spatial  metabolomics  analyses  revealed  an  increase  in  the  flux  of  TCA 

1245 

metabolites in plaque-associated microglia in the absence of Pkm2.  (A)

 Summary of  

1246 

the  changes  of  glycolytic  and  TCA  metabolites  in  Iba1

+

,  AmyloGlo

+

  plaque-associated  microglia 

1247 

quantified  by  MALDI-MSI  in  FAD:i-PKM2

M∆

  mice  compared  to  FAD:i-PKM2

MC

  mice. 

(B) 

qPCR 

1248 

analyses  showing  changes  in 

ApoE

  mRNA  levels  after  metabolic  stress  in  rat  primary  microglial 

1249 

cultures  (n=9  replicates  for  each  treatment  from  3  independent  experiments). 

(C)

  qPCR  analyses 

1250 

showing changes in 

Trem2

 mRNA levels after metabolic stress in primary rat microglial cultures (n=9 

1251 

replicates for each treatment from 3 independent experiments). Data are expressed as mean ± SEM. 

1252 

Unpaired Student’s 

t

-tests were used in (

B

C

).  

1253 

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

JNeurosci Accepted Manuscript

JNEUROSCI.1563-23.2024.full (1)-html.html
background image

JNeurosci Accepted Manuscript